Giáo trình môn Kỹ thuật cảm biến

Nội dung text: Giáo trình môn Kỹ thuật cảm biến

1. KỸ THUẬT CẢM BIẾN Biên tập bởi: Khoa CNTT ĐHSP KT Hưng Yên
2. KỸ THUẬT CẢM BIẾN Biên tập bởi: Khoa CNTT ĐHSP KT Hưng Yên Các tác giả: Khoa CNTT ĐHSP KT Hưng Yên Phiên bản trực tuyến:
3. MỤC LỤC 1. LỜI NÓI ĐẦU 2. Bài 1: CÁC KHÁI NIỆM VÀ ĐẶC TRƯNG CƠ BẢN 2.1. Khái niệm và phân loại cảm biến 2.2. Đường cong chuẩn của cảm biến 2.3. Các đặc trưng cơ bản 3. Bài 2: NGUYÊN LÝ CHẾ TẠO VÀ MẠCH ĐO 3.1. Nguyên lý chung chế tạo cảm biến 3.2. Mạch đo 3.3. Dụng cụ và kỹ thuật đo 4. Bài 1: CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ 4.1. Khái niệm cơ bản 4.2. Nhiệt kế giãn nở 4.3. Nhiệt kế điện trở 5. Bài 5: CÁC LOẠI CẢM BIẾN NHIỆT 5.1. Cảm biến nhiệt ngẫu 5.2. Hoả kết 6. Bài 7: CẢM BIẾN QUANG 6.1. Tính chất và đơn vị đo ánh sáng 6.2. Cảm biến quang dẫn 7. Bài 8: CÁC LOẠI CẢM BIẾN QUANG 7.1. Photodiode 7.2. Phototransisto 7.3. Phototransisto hiệu ứng trường 7.4. Một số kinh kiện khác 8. Bài 10: CẢM BIẾN ĐO VỊ TRÍ DỊCH CHUYỂN 8.1. Nguyên lý đo vị trí và dịch chuyển 8.2. Công tắc giới hạn 8.3. Điện thế kế điện trở 8.4. Cảm biến điện cảm 8.5. Cảm biến điện dung 9. Bài 12: CÁC LOẠI CẢM BIẾN ĐO VỊ TRÍ 9.1. Cảm biến quang 9.2. Cảm biến đo dịch chuyển bằng sóng đàn hồi 1/191
4. 10. Bài 14: CẢM BIẾN ĐO BIẾN DẠNG 10.1. Biến dạng và phương pháp đo 10.2. Đầu đo điện trở kim loại 10.3. Cảm biến áp trở silic 10.4. Ứng suất kế dây rung 11. Bài 16: CẢM BIẾN ĐO LỰC 11.1. Nguyên lý đo lực 11.2. Cảm biến áp điện 11.3. Cảm biến từ giảo 11.4. Cảm biến đo lực dựa trên phép đo dịch chuyển 11.5. Cảm biến xúc giác 12. Bài 18: CẢM BIẾN VẬN TỐC, GIA TỐC VÀ ĐỘ RUNG 12.1. Khái niệm cơ bản1 12.2. Cảm biến đo vận tốc 12.3. Gia tốc kế áp điện 12.4. Gia tốc kế áp trở 12.5. Cảm biến đo tốc độ rung 13. Bài 20: CẢM BIẾN ĐO ÁP SUẤT VÀ LƯU LƯỢNG CHẤT LƯU 13.1. Áp suất và nguyên lý đo áp suất 13.2. Áp kế vi sai dựa trên nguyên tắc cân bằng thuỷ tĩnh 13.3. Cảm biến áp suất dựa trên phép đo biến dạng 13.4. Cảm biến đo lưu lượng 13.5. Cảm biến đo và phát hiện mức chất lưu 14. TÀI LIỆU THAM KHẢO Tham gia đóng góp 2/191
5. LỜI NÓI ĐẦU LỜI NÓI ĐẦU Module Kỹ thuật cảm biến cung cấp các kiến thức về cảm biến và ứng dụng của các cảm biến. Module này giới thiệu các loại cảm biến: quang, nhiệt, điện, âm thanh, cảm biến hình ảnh; Kỹ thuật lắp ráp các mạch chuyển đổi sơ cấp từ đại lượng không điện thành đại lượng điện; Kỹ thuật thiết kế mạch điều khiển ứng dụng cảm biến. Cuốn đề cương này được biên soạn dựa trên khung chương trình module “Kỹ thuật cảm biến” thuộc chương trình đào tạo theo định hướng nghề nghiệp trong khuôn khổ dự án Hà Lan. Cuốn đề cương này chứa nội dung của 21 bài học theo đúng trình tự và mục tiêu thiết kế của chương trình. Các bài học lý thuyết được biên tập khá chi tiết, cập nhật các kiến thức mới và có tính ứng dụng cao. Để tiếp thu tốt module này yêu cầu sinh viên cần học trước các module kỹ thuật điện tử, điện tử số. 3/191
6. Bài 1: CÁC KHÁI NIỆM VÀ ĐẶC TRƯNG CƠ BẢN Khái niệm và phân loại cảm biến Khái niệm Cảm biến là thiết bị dùng để cảm nhận biến đổi các đại lượng vật lý và các đại lượng không có tính chất điện cần đo thành các đại lượng điện có thể đo và xử lý được. Các đại lượng cần đo (m) thường không có tính chất điện (như nhiệt độ, áp suất ) tác động lên cảm biến cho ta một đặc trưng (s) mang tính chất điện (như điện tích, điện áp, dòng điện hoặc trở kháng) chứa đựng thông tin cho phép xác định giá trị của đại lượng đo. Đặc trưng (s) là hàm của đại lượng cần đo (m): s = F(m) (1.1) Người ta gọi (s) là đại lượng đầu ra hoặc là phản ứng của cảm biến, (m) là đại lượng đầu vào hay kích thích (có nguồn gốc là đại lượng cần đo). Thông qua đo đạc (s) cho phép nhận biết giá trị của (m). Phân loại cảm biến Tùy theo các đặc trưng phân loại, cảm biến có thể được chia thành nhiều loại khác nhau. Theo nguyên lý chuyển đổi giữa đáp ứng và kích thích (bảng 1.1). Bảng 1.1 Hiện tượng Chuyển đổi giữa đáp ứng-kích thích • Nhiệt điện • Quang điện • Quang từ Hiện tượng vật lý • Điện từ • Quang đàn hồi • Từ điện • Nhiệt từ Hoá học • Biến đổi hoá học 4/191
7. • Biến đổi điện hoá • Phân tích phổ • Biến đổi sinh hoá Sinh học • Biến đổi vật lý • Hiệu ứng trên cơ thể sống Theo dạng kích thích (bảng 1.2). Bảng 1.2 Âm - Biên pha, phân cực - Phổ - Tốc độ truyền sóng thanh - Điện tích, dòng điện - Điện thế, điện áp - Điện trường (biên, pha, phân cực, Điện phổ) - Điện dẫn, hằng số điện môi - Từ trường (biên, pha, phân cực, phổ) - Từ thông, cường độ từ trường - Độ Từ từ thẩm - Biên, pha, phân cực, phổ - Tốc độ truyền - Hệ số phát xạ, khúc xạ - Hệ số Quang hấp thụ, hệ số bức xạ - Vị trí - Lực, áp suất - Gia tốc, vận tốc - Ứng suất, độ cứng - Mô men - Khối Cơ lượng, tỉ trọng - Vận tốc chất lưu, độ nhớt Nhiệt - Nhiệt độ - Thông lượng - Nhiệt dung, tỉ nhiệt Bức - Kiểu - Năng lượng - Cường độ xạ Theo tính năng của bộ cảm biến (bảng 1.3) Bảng 1.3 - Độ nhạy - Độ chính xác - Độ phân - Khả năng quá tải - Tốc độ đáp ứng - Độ ổn giải - Độ chọn lọc - Độ tuyến tính - định - Tuổi thọ - Điều kiện môi trường - Công suất tiêu thụ - Dải tần Kích thước, trọng lượng- Độ trễ Phân loại theo phạm vi sử dụng ( bảng 1.4). Bảng 1.4 - Công nghiệp 5/191
8. - Nghiên cứu khoa học - Môi trường, khí tượng - Thông tin, viễn thông - Nông nghiệp - Dân dụng - Giao thông - Vũ trụ - Quân sự - Phân loại theo thông số của mô hình mạch thay thế : + Cảm biến tích cực có đầu ra là nguồn áp hoặc nguồn dòng. + Cảm biến thụ động được đặc trưng bằng các thông số R, L, C, M tuyến tính hoặc phi tuyến. 6/191
9. Đường cong chuẩn của cảm biến Khái niệm Đường cong chuẩn cảm biến là đường cong biểu diễn sự phụ thuộc của đại lượng điện (s) ở đầu ra của cảm biến vào giá trị của đại lượng đo (m) ở đầu vào. Đường cong chuẩn có thể biểu diễn bằng biểu thức đại số dưới dạng s = F(m), hoặc bằng đồ thị như hình 1.1a. Hình 1.1 : Đường cong chuẩn cảm biến a) Dạng đường cong chuẩn b) Đường cong chuẩn của cảm biến tuyến tính Dựa vào đường cong chuẩn của cảm biến, ta có thể xác định giá trị mi chưa biết của m thông qua giá trị đo được si của s. Để dễ sử dụng, người ta thường chế tạo cảm biến có sự phụ thuộc tuyến tính giữa đại lượng đầu ra và đại lượng đầu vào, phương trình s= F(m) có dạng s = am +b với a, b là các hệ số, khi đó đường cong chuẩn là đường thẳng (hình 1.1b). Phương pháp chuẩn cảm biến Chuẩn cảm biến là phép đo nhằm mục đích xác lập mối quan hệ giữa giá trị s đo được của đại lượng điện ở đầu ra và giá trị m của đại lượng đo có tính đến các yếu tố ảnh hưởng, trên cơ sở đó xây dựng đường cong chuẩn dưới dạng tường minh (đồ thị hoặc biểu thức đại số). Khi chuẩn cảm biến, với một loạt giá trị đã biết chính xác mi của m, đo giá trị tương ứng si của s và dựng đường cong chuẩn. 7/191
10. Hình 1.2 : Phương pháp chuẩn cảm biến Chuẩn đơn giản Trong trường hợp đại lượng đo chỉ có một đại lượng vật lý duy nhất tác động lên một đại lượng đo xác định và cảm biến sử dụng không nhạy với tác động của các đại lượng ảnh hưởng, người ta dùng phương pháp chuẩn đơn giản. Thực chất của chuẩn đơn giản là đo các giá trị của đại lượng đầu ra ứng với các giá xác định không đổi của đại lượng đo ở đầu vào. Việc chuẩn được tiến hành theo hai cách: - Chuẩn trực tiếp: các giá trị khác nhau của đại lượng đo lấy từ các mẫu chuẩn hoặc các phần tử so sánh có giá trị biết trước với độ chính xác cao. - Chuẩn gián tiếp: kết hợp cảm biến cần chuẩn với một cảm biến so sánh đã có sẵn đường cong chuẩn, cả hai được đặt trong cùng điều kiện làm việc. Khi tác động lên hai cảm biến với cùng một giá trị của đại lượng đo ta nhận được giá trị tương ứng của cảm biến so sánh và cảm biến cần chuẩn. Lặp lại tương tự với các giá trị khác của đại lượng đo cho phép ta xây dựng được đường cong chuẩn của cảm biến cần chuẩn. Chuẩn nhiều lần Khi cảm biến có phần tử bị trễ (trễ cơ hoặc trễ từ), giá trị đo được ở đầu ra phụ thuộc không những vào giá trị tức thời của đại lượng cần đo ở đầu vào mà còn phụ thuộc vào giá trị trước đó của của đại lượng này. Trong trường hợp như vậy, người ta áp dụng phương pháp chuẩn nhiều lần và tiến hành như sau: - Đặt lại điểm 0 của cảm biến: đại lượng cần đo và đại lượng đầu ra có giá trị tương ứng với điểm gốc, m=0 và s=0. - Đo giá trị đầu ra theo một loạt giá trị tăng dần đến giá trị cực đại của đại lượng đo ở đầu vào. - Lặp lại quá trình đo với các giá trị giảm dần từ giá trị cực đại. Khi chuẩn nhiều lần cho phép xác định đường cong chuẩn theo cả hai hướng đo tăng dần và đo giảm dần. 8/191
11. Các đặc trưng cơ bản Độ nhạy của cảm biến Đối với cảm biến tuyến tính, giữa biến thiên đầu ra Δs và biến thiên đầu vào Δm có sự liên hệ tuyến tính: Δs = S.Δm (1.2) Đại lượng S xác định bởi biểu thức được gọi là độ nhạy của cảm biến. Trường hợp tổng quát, biểu thức xác định độ nhạy S của cảm biến xung quanh giá trị mi của đại lượng đo xác định bởi tỷ số giữa biến thiên Δs của đại lượng đầu ra và biến thiên Δm tương ứng của đại lượng đo ở đầu vào quanh giá trị đó: (1.2) Để phép đo đạt độ chính xác cao, khi thiết kế và sử dụng cảm biến cần làm sao cho độ nhạy S của nó không đổi, nghĩa là ít phụ thuộc nhất vào các yếu tố sau: - Giá trị của đại lượng cần đo m và tần số thay đổi của nó. - Thời gian sử dụng. - Ảnh hưởng của các đại lượng vật lý khác (không phải là đại lượng đo) của môi trường xung quanh. Thông thường nhà sản xuất cung cấp giá trị của độ nhạy S tương ứng với những điều kiện làm việc nhất định của cảm biến. Độ nhạy trong chế độ tĩnh và tỷ số chuyển đổi tĩnh Đường chuẩn cảm biến, xây dựng trên cơ sở đo các giá trị si ở đầu ra tương ứng với các giá trị không đổi mi của đại lượng đo khi đại lượng này đạt đến chế độ làm việc danh định được gọi là đặc trưng tĩnh của cảm biến. Một điểm Qi(mi,si) trên đặc trưng tĩnh xác định một điểm làm việc của cảm biến ở chế độ tĩnh. 9/191
12. Trong chế độ tĩnh, độ nhạy S xác định theo công thức (1.3) chính là độ đốc của đặc trưng tĩnh ở điểm làm việc đang xét. Như vậy, nếu đặc trưng tĩnh không phải là tuyến tính thì độ nhạy trong chế độ tĩnh phụ thuộc điểm làm việc. Đại lượng ri xác định bởi tỷ số giữa giá trị si ở đầu ra và giá trị mi ở đầu vào được gọi là tỷ số chuyển đổi tĩnh: (1.4) Từ (1.4), ta nhận thấy tỷ số chuyển đổi tĩnh ri không phụ thuộc vào điểm làm việc Qi và chỉ bằng S khi đặc trưng tĩnh là đường thẳng đi qua gốc toạ độ. Độ nhạy trong chế độ động Độ nhạy trong chế độ động được xác định khi đại lượng đo biến thiên tuần hoàn theo thời gian. Độ tuyến tính Một cảm biến được gọi là tuyến tính trong một dải đo xác định nếu trong dải chế độ đó, độ nhạy không phụ thuộc vào đại lượng đo. Trong chế độ tĩnh, độ tuyến tính chính là sự không phụ thuộc của độ nhạy của cảm biến vào giá trị của đại lượng đo, thể hiện bởi các đoạn thẳng trên đặc trưng tĩnh của cảm biến và hoạt động của cảm biến là tuyến tính chừng nào đại lượng đo còn nằm trong vùng này. Trong chế độ động, độ tuyến tính bao gồm sự không phụ thuộc của độ nhạy ở chế độ tĩnh S(0) vào đại lượng đo, đồng thời các thông số quyết định sự hồi đáp như tần số riêng f0 của dao động không tắt, hệ số tắt dần ? cũng không phụ thuộc vào đại lượng đo. Nếu cảm biến không tuyến tính, người ta đưa vào mạch đo các thiết bị hiệu chỉnh sao cho tín hiệu điện nhận được ở đầu ra tỉ lệ với sự thay đổi của đại lượng đo ở đầu vào. Sự hiệu chỉnh đó được gọi là sự tuyến tính hoá. Sai số và độ chính xác Các bộ cảm biến cũng như các dụng cụ đo lường khác, ngoài đại lượng cần đo (cảm nhận) còn chịu tác động của nhiều đại lượng vật lý khác gây nên sai số giữa giá trị đo 10/191
13. được và giá trị thực của đại lượng cần đo. Gọi Δx là độ lệch tuyệt đối giữa giá trị đo và giá trị thực x (sai số tuyệt đối), sai số tương đối của bộ cảm biến được tính bằng: Sai số của bộ cảm biến mang tính chất ước tính bởi vì không thể biết chính xác giá trị thực của đại lượng cần đo. Khi đánh giá sai số của cảm biến, người ta thường phân chúng thành hai loại: sai số hệ thống và sai số ngẫu nhiên. - Sai số hệ thống: là sai số không phụ thuộc vào số lần đo, có giá trị không đổi hoặc thay đổi chậm theo thời gian đo và thêm vào một độ lệch không đổi giữa giá trị thực và giá trị đo được. Sai số hệ thống thường do sự thiếu hiểu biết về hệ đo, do điều kiện sử dụng không tốt gây ra. Các nguyên nhân gây ra sai số hệ thống có thể là: Do nguyên lý của cảm biến. + Do giá trị của đại lượng chuẩn không đúng. + Do đặc tính của bộ cảm biến. + Do điều kiện và chế độ sử dụng. +Do xử lý kết quả đo. - Sai số ngẫu nhiên: là sai số xuất hiện có độ lớn và chiều không xác định. Ta có thể dự đoán được một số nguyên nhân gây ra sai số ngẫu nhiên nhưng không thể dự đoán được độ lớn và dấu của nó. Những nguyên nhân gây ra sai số ngẫu nhiên có thể là: + Do sự thay đổi đặc tính của thiết bị. + Do tín hiệu nhiễu ngẫu nhiên. + Do các đại lượng ảnh hưởng không được tính đến khi chuẩn cảm biến. Chúng ta có thể giảm thiểu sai số ngẫu nhiên bằng một số biện pháp thực nghiệm thích hợp như bảo vệ các mạch đo tránh ảnh hưởng của nhiễu, tự động điều chỉnh điện áp nguồn nuôi, bù các ảnh hưởng nhiệt độ, tần số, vận hành đúng chế độ hoặc thực hiện phép đo lường thống kê. 11/191
14. Độ nhanh và thời gian hồi đáp Độ nhanh là đặc trưng của cảm biến cho phép đánh giá khả năng theo kịp về thời gian của đại lượng đầu ra khi đại lượng đầu vào biến thiên. Thời gian hồi đáp là đại lượng được sử dụng để xác định giá trị số của độ nhanh. Độ nhanh tr là khoảng thời gian từ khi đại lượng đo thay đổi đột ngột đến khi biến thiên của đại lượng đầu ra chỉ còn khác giá trị cuối cùng một lượng giới hạn ε tính bằng %. Thời gian hồi đáp tương ứng với ε% xác định khoảng thời gian cần thiết phải chờ đợi sau khi có sự biến thiên của đại lượng đo để lấy giá trị của đầu ra với độ chính xác định trước. Thời gian hồi đáp đặc trưng cho chế độ quá độ của cảm biến và là hàm của các thông số thời gian xác định chế độ này. Trong trường hợp sự thay đổi của đại lượng đo có dạng bậc thang, các thông số thời gian gồm thời gian trễ khi tăng (tdm) và thời gian tăng (tm) ứng với sự tăng đột ngột của đại lượng đo hoặc thời gian trễ khi giảm (tdc) và thời gian giảm (tc) ứng với sự giảm đột ngột của đại lượng đo. Khoảng thời gian trễ khi tăng tdm là thời gian cần thiết để đại lượng đầu ra tăng từ giá trị ban đầu của nó đến 10% của biến thiên tổng cộng của đại lượng này và khoảng thời gian tăng tm là thời gian cần thiết để đại lượng đầu ra tăng từ 10% đến 90% biến thiên biến thiên tổng cộng của nó. Hình 1.3: Xác định các khoảng thời gian đặc trưng cho chế độ quá độ Tương tự, khi đại lượng đo giảm, thời gian trể khi giảm tdc là thời gian cần thiết để đại lượng đầu ra giảm từ giá trị ban đầu của nó đến 10% biến thiên tổng cộng của đại lượng này và khoảng thời gian giảm tc là thời gian cần thiết để đại lượng đầu ra giảm từ 10% đến 90% biến thiên biến thiên tổng cổng của nó. 12/191
15. Các thông số về thời gian tr, tdm, tm, tdc, tc của cảm biến cho phép ta đánh giá về thời gian hồi đáp của nó. Giới hạn sử dụng của cảm biến Trong quá trình sử dụng, các cảm biến luôn chịu tác động của ứng lực cơ học, tác động nhiệt Khi các tác động này vượt quá ngưỡng cho phép, chúng sẽ làm thay đổi đặc trưng làm việc của cảm biến. Bởi vậy khi sử dụng cảm biến, người sử dụng cần phải biết rõ các giới hạn này. Vùng làm việc danh định Vùng làm việc danh định tương ứng với những điều kiện sử dụng bình thường của cảm biến. Giới hạn của vùng là các giá trị ngưỡng mà các đại lượng đo, các đại lượng vật lý có liên quan đến đại lượng đo hoặc các đại lượng ảnh hưởng có thể thường xuyên đạt tới mà không làm thay đổi các đặc trưng làm việc danh định của cảm biến. Vùng không gây nên hư hỏng Vùng không gây nên hư hỏng là vùng mà khi mà các đại lượng đo hoặc các đại lượng vật lý có liên quan và các đại lượng ảnh hưởng vượt qua ngưỡng của vùng làm việc danh định nhưng vẫn còn nằm trong phạm vi không gây nên hư hỏng, các đặc trưng của cảm biến có thể bị thay đổi nhưng những thay đổi này mang tính thuận nghịch, tức là khi trở về vùng làm việc danh định các đặc trưng của cảm biến lấy lại giá trị ban đầu của chúng. Vùng không phá huỷ Vùng không phá hủy là vùng mà khi mà các đại lượng đo hoặc các đại lượng vật lý có liên quan và các đại lượng ảnh hưởng vượt qua ngưỡng của vùng không gây nên hư hỏng nhưng vẫn còn nằm trong phạm vi không bị phá hủy, các đặc trưng của cảm biến bị thay đổi và những thay đổi này mang tính không thuận nghịch, tức là khi trở về vùng làm việc danh định các đặc trưng của cảm biến không thể lấy lại giá trị ban đầu của chúng. Trong trường hợp này cảm biến vẫn còn sử dụng được, nhưng phải tiến hành chuẩn lại cảm biến. 13/191
16. Bài 2: NGUYÊN LÝ CHẾ TẠO VÀ MẠCH ĐO Nguyên lý chung chế tạo cảm biến Các cảm biến được chế tạo dựa trên cơ sở các hiện tượng vật lý và được phân làm hai loại: - Cảm biến tích cực: là các cảm biến hoạt động như một máy phát, đáp ứng (s) là điện tích, điện áp hay dòng. - Cảm biến thụ động: là các cảm biến hoạt động như một trở kháng trong đó đáp ứng (s) là điện trở, độ tự cảm hoặc điện dung. Nguyên lý chế tạo các cảm biến tích cực Các cảm biến tích cực được chế tạo dựa trên cơ sở ứng dụng các hiệu ứng vật lý biến đổi một dạng năng lượng nào đó (nhiệt, cơ hoặc bức xạ) thành năng lượng điện. Dưới đây mô tả một cách khái quát ứng dụng một số hiệu ứng vật lý khi chế tạo cảm biến. Hiệu ứng nhiệt điện Hai dây dẫn (M1) và (M2) có bản chất hoá học khác nhau được hàn lại với nhau thành một mạch điện kín, nếu nhiệt độ ở hai mối hàn là T1 và T2 khác nhau, khi đó trong mạch xuất hiện một suất điện động e(T1, T2) mà độ lớn của nó phụ thuộc chênh lệch nhiệt độ giữa T1 và T2. Hình 2.1: Sơ đồ hiệu ứng nhiệt điện Hiệu ứng nhiệt điện được ứng dụng để đo nhiệt độ T1 khi biết trước nhiệt độ T2, thường o chọn T2 = 0 C. 14/191
17. Hiệu ứng hoả điện Một số tinh thể gọi là tinh thể hoả điện (ví dụ tinh thể sulfate triglycine) có tính phân cực điện tự phát với độ phân cực phụ thuộc vào nhiệt độ, làm xuất hiện trên các mặt đối diện của chúng những điện tích trái dấu. Độ lớn của điện áp giữa hai mặt phụ thuộc vào độ phân cực của tinh thể hoả điện. Hình 2.2: ứng dụng hiệu ứng hoả điện Hiệu ứng hoả điện được ứng dụng để đo thông lượng của bức xạ ánh sáng. Khi ta chiếu một chùm ánh sáng vào tinh thể hoả điện, tinh thể hấp thụ ánh sáng và nhiệt độ của nó tăng lên, làm thay đổi sự phân cực điện của tinh thể. Đo điện áp V ta có thể xác định được thông lượng ánh sáng F. Hiệu ứng áp điện Một số vật liệu gọi chung là vật liệu áp điện (như thạch anh chẳng hạn) khi bị biến dạng dước tác động của lực cơ học, trên các mặt đối diện của tấm vật liệu xuất hiện những lượng điện tích bằng nhau nhưng trái dấu, được gọi là hiệu ứng áp điện. Đo V ta có thể xác định được cường độ của lực tác dụng F. Hình 2.3: ứng dụng hiệu ứng áp điện Hiệu ứng cảm ứng điện từ Khi một dây dẫn chuyển động trong từ trường không đổi, trong dây dẫn xuất hiện một suất điện động tỷ lệ với từ thông cắt ngang dây trong một đơn vị thời gian, nghĩa là tỷ lệ với tốc độ dịch chuyển của dây. Tương tự như vậy, trong một khung dây đặt trong từ 15/191
18. trường có từ thông biến thiên cũng xuất hiện một suất điện động tỷ lệ với tốc độ biến thiên của từ thông qua khung dây. Hình 2.4: ứng dụng hiệu ứng cảm ứng điện từ Hiệu ứng cảm ứng điện từ được ứng dụng để xác định tốc độ dịch chuyển của vật thông qua việc đo suất điện động cảm ứng. Hiệu ứng quang điện - Hiệu ứng quang dẫn: (hay còn gọi là hiệu ứng quang điện nội) là hiện tượng giải phóng ra các hạt dẫn tự do trong vật liệu (thường là bán dẫn) khi chiếu vào chúng một bức xạ ánh sáng (hoặc bức xạ điện từ nói chung) có bước sóng nhỏ hơn một ngưỡng nhất định. - Hiệu ứng quang phát xạ điện tử: (hay còn gọi là hiệu ứng quang điện ngoài) là hiện tượng các điện tử được giải phóng và thoát khỏi bề mặt vật liệu tạo thành dòng có thể thu lại nhờ tác dụng của điện trường. Hiệu ứng quang - điện - từ Khi tác dụng một từ trường B vuông góc với bức xạ ánh sáng, trong vật liệu bán dẫn được chiếu sáng sẽ xuất hiện một hiệu điện thế theo hướng vuông góc với từ trường B và hướng bức xạ ánh sáng. Hình 2.5: ứng dụng hiệu ứng quang - điện - từ Hiệu ứng Hall Khi đặt một tấm mỏng vật liệu mỏng (thường là bán dẫn), trong đó có dòng điện chạy qua, vào trong một từ trường B có phương tạo với dòng điện I trong tấm một góc θ, sẽ 16/191
19. xuất hiện một hiệu điện thế VH theo hướng vuông góc với B và I. Biểu thức hiệu điện thế có dạng: Trong đó KH là hệ số phụ thuộc vào vật liệu và kích thước hình học của tấm vật liệu. Hình 2.6: ứng dụng hiệu ứng Hall Hiệu ứng Hall được ứng dụng để xác định vị trí của một vật chuyển động. Vật cần xác định vị trí liên kết cơ học với thanh nam châm, ở mọi thời điểm, vị trí thanh nam châm xác định giá trị của từ trường B và góc ? tương ứng với tấm bán dẫn mỏng làm vật trung gian. Vì vậy, hiệu điện thế VH đo được giữa hai cạnh tấm bán dẫn là hàm phụ thuộc vào vị trí của vật trong không gian. Nguyên lý chế tạo cảm biến thụ động Cảm biến thụ động thường được chế tạo từ một trở kháng có các thông số chủ yếu nhạy với đại lượng cần đo. Giá trị của trở kháng phụ thuộc kích thước hình học, tính chất điện của vật liệu chế tạo (như điện trở suất ρ, độ từ thẩm μ, hằng số điện môi ε). Vì vậy tác động của đại lượng đo có thể ảnh hưởng riêng biệt đến kích thước hình học, tính chất điện hoặc đồng thời cả hai. Sự thay đổi thông số hình học của trở kháng gây ra do chuyển động của phần tử chuyển động hoặc phần tử biến dạng của cảm biến. Trong các cảm biến có phần tử chuyển động, mỗi vị trí của phần tử động sẽ ứng với một giá trị xác định của trở kháng, cho nên đo trở kháng có thể xác định được vị trí của đối tượng. Trong cảm biến có phần tử biến dạng, sự biến dạng của phần tử biến dạng dưới tác động của đại lượng đo (lực hoặc các đại lượng gây ra lực) gây ra sự thay đổi của trở kháng của cảm biến. Sự thay đổi trở kháng do biến dạng liên quan đến lực tác động, do đó liên quan đến đại lượng cần đo. Xác định trở kháng ta có thể xác định được đại lượng cần đo. 17/191
20. Sự thay đổi tính chất điện của cảm biến phụ thuộc vào bản chất vật liệu chế tạo trở kháng và yếu tố tác động (nhiệt độ, độ chiếu sáng, áp suất, độ ẩm ). Để chế tạo cảm biến, người ta chọn sao cho tính chất điện của nó chỉ nhạy với một trong các đại lượng vật lý trên, ảnh hưởng của các đại lượng khác là không đáng kể. Khi đó có thể thiết lập được sự phụ thuộc đơn trị giữa giá trị đại lượng cần đo và giá trị trở kháng của cảm biến. Trên bảng 2.1 giới thiệu các đại lượng cần đo có khả năng làm thay đổi tính chất điện của vật liệu sử dụng chế tạo cảm biến. Bảng 2.1 Đại lượng cần đo Đặc trưng nhạy cảm Loại vật liệu sử dụng Nhiệt độ ρ Kim loại (Pt, Ni, Cu) Bán dẫn Bức xạ ánh sáng ρ Bán dẫn Biến dạng ρTừ thẩm (μ) Hợp kim Ni, Si pha tạp Hợp kim sắt từ Vị trí (nam châm) ρ Vật liệu từ điện trở:Bi, InSb 18/191
21. Mạch đo Sơ đồ mạch đo Mạch đo bao gồm toàn bộ thiết bị đo (trong đó có cảm biến) cho phép xác định chính xác giá trị của đại lượng cần đo trong những điều kiện tốt nhất có thể. Ở đầu vào của mạch, cảm biến chịu tác động của đại lượng cần đo gây nên tín hiệu điện mang theo thông tin về đại cần đo. Ở đầu ra của mạch, tín hiệu điện đã qua xử lý được chuyển đổi sang dạng có thể đọc được trực tiếp giá trị cần tìm của đại lượng đo. Việc chuẩn hệ đo đảm bảo cho mỗi giá trị của chỉ thị đầu ra tương ứng với một giá trị của đại lượng đo tác động ở đầu vào của mạch. Dạng đơn giản của mạch đo gồm một cảm biến, bộ phận biến đổi tín hiệu và thiết bị chỉ thị, ví dụ mạch đo nhiệt độ gồm một cặp nhiệt ghép nối trực tiếp với một milivôn kế. Hình 2.7: Sơ đồ mạch đo nhiệt độ bằng cặp nhiệt Hình 2.8: Mạch đo điện thế bề mặt 1) Máy phát chức năng 2) Cảm biến điện tích 3) Tiền khuếch đại 19/191
22. 4) So pha lọc nhiễu 5) Khuếch đại 6) Chuyển đổi tương tự số 7) Máy tính Trên thực tế, do các yêu cầu khác nhau khi đo, mạch đo thường gồm nhiều thành phần trong đó có các khối để tối -u hoá việc thu thập và xử lý dữ liệu, chẳng hạn mạch tuyến tính hoá tín hiệu nhận từ cảm biến, mạch khử điện dung ký sinh, các bộ chuyển đổi nhiều kênh, bộ khuếch đại, bộ so pha lọc nhiễu, bộ chuyển đổi tương tự - số, bộ vi xử lý, các thiết bị hỗ trợ Trên hình 1.11 biểu diễn sơ đồ khối một mạch điện đo điện thế trên bề mặt màng nhạy quang được lắp ráp từ nhiều phần tử. Một số phần tử cơ bản của mạch đo Bộ khuếch đại thuật toán (KĐTT) Bộ khuếch đại thuật toán mạch tích hợp là bộ khuếch đại dòng một chiều có hai đầu vào và một đầu ra chung, thường gồm hàng trăm tranzito và các điện trở, tụ điện ghép nối với nhau. Sơ đồ bộ khuếch đại thuật toán biểu diễn trên hình 2.9. Hình 2.9: Sơ đồ bộ khuếch đại thuật toán Các đặc tính cơ bản của bộ khuếch đại thuật toán: - Bộ khuếch đại có hai đầu vào: một đầu đảo (-), một đầu không đảo (+). - Điện trở vào rất lớn, cỡ hàng trăm M? đến G?. - Điện trở ra rất nhỏ, cỡ phần chục ?. - Điện áp lệch đầu vào rất nhỏ, cỡ vài nV. - Hệ số khuếch đại hở mạch rất lớn, cỡ 100.000. - Dải tần làm việc rộng. - Hệ số suy giảm theo cách nối chung CMRR là tỷ số hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại thuật toán đối với các tín hiệu sai lệch và hệ số khuếch đại theo cách nối chung của cùng bộ khuếch đại thuật toán. Thông thường CMRR vào khoảng 90 dB. 20/191
23. - Tốc độ tăng hạn chế sự biến thiên cực đại của điện áp tính bằng V/μs. Bộ khuếch đại đo lường IA Bộ khuếch đại đo lường IA có hai đầu vào và một đầu ra. Tín hiệu đầu ra tỷ lệ với hiệu của hai điện áp đầu vào: Hình 2.10: Sơ đồ bộ khuếch đại đo lường gồm ba KĐTT ghép nối điện trở Đầu vào vi sai đóng vai trò rất quan trọng trong việc khử nhiễu ở chế độ chung và tăng điện trở vào của KĐTT. Điện áp trên Ra phải bằng điện áp vi sai đầu vào ΔU và tạo nên dòng điện Các điện áp ra từ KĐTT U1 và U2 phải bằng nhau về biên độ nhưng ngược pha. Điện áp U3 của tầng thứ hai biến đổi đầu ra vi sai thành đầu ra đơn cực. Hệ số khuếch đại tổng của IA bằng: Khử điện áp lệch Đối với một bộ khuếch KĐTT lý tưởng khi hở mạch phải có điện áp ra bằng không khi hai đầu vào nối mát. Thực tế vì các điện áp bên trong nên tạo ra một điện áp nhỏ (điện áp phân cực) ở đầu vào KĐTT cỡ vài mV, nhưng khi sử dụng mạch kín điện áp này được 21/191
24. khuếch đại và tạo nên điện áp khá lớn ở đầu ra. Để khử điện áp lệch có thể sử dụng sơ đồ hình 2.11, bằng cách điều chỉnh biến trở R . Hình 2.11: Sơ đồ mạch khử điện áp lệch Mạch lặp lại điện áp Để lặp lại điện áp chính xác, người ta sử dụng bộ KĐTT làm việc ở chế độ không đảo với hệ số khuếch đại bằng 1 sơ đồ như hình 2.12. Hình 2.12: Sơ đồ mạch lặp điện áp Trong bộ lặp điện áp, cực dương của KĐTT được nối trực tiếp với tín hiệu vào, còn cực âm được nối trực tiếp với đầu ra, tạo nên điện áp phản hồi 100% do đó hệ số khuếch đại bằng 1. Mạch lặp điện áp có chức năng tăng điện trở đầu vào, do vậy thường dùng để nối giữa hai khâu trong mạch đo. Mạch cầu Cầu Wheatstone thường được sử dụng trong các mạch đo nhiệt độ, lực, áp suất, từ trường Cầu gồm bốn điện trở R1, R2, R3 cố định và R4 thay đổi (mắc như hình 2.13) 22/191
25. hoạt động như cầu không cân bằng dựa trên việc phát hiện điện áp qua đường chéo của cầu. Hình 2.13: Sơ đồ mạch cầu Trong mạch cầu, điện áp ra là hàm phi tuyến nhưng đối với biến đổi nhỏ (Δ > R2 hoặc R2 >> R1 điện áp ra của cầu giảm. Đặt K = R1/R2 độ nhạy của cầu là: 23/191
26. Dụng cụ và kỹ thuật đo Dụng cụ đo Tùy từng loại cảm biến mà lựa chọn dụng cụ đo thích hợp. Thông thường cảm biến được kiểm tra đơn giản dựa trên một số đặc tính kỹ thuật trong trạng thái tĩnh. Một số loại dụng cụ kiểm tra đơn giản như: đồng hồ vạn năng, máy hiện sóng, kết hợp với các nguồn kích thích như ánh sáng, nhiệt độ, Kỹ thuật đo Việc đo kiểm nhằm mục tiêu xác định xem cảm biến có còn hoạt động được hay không, có còn đảm bảo các thông số kỹ thuật hay xác định các cực tính, Mặc dù vậy, không phải cảm biến nào cũng dễ dàng kiểm tra các thông số dựa vào dụng cụ đo. Có loại cần phải đưa vào mạch kiểm tra sau đó kiểm tra các thông số hoạt động thì mới xác định được tình trạng của cảm biến. 24/191
27. Bài 1: CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ Khái niệm cơ bản Nhiệt độ là một trong số những đại lượng có ảnh hưởng rất lớn đến tính chất vật chất. Bởi vậy trong nghiên cứu khoa học, trong công nghiệp cũng như trong đời sống hàng ngày việc đo nhiệt độ là rất cần thiết. Tuy nhiên việc xác định chính xác một nhiệt độ là một vấn đề không đơn giản. Đa số các đại lượng vật lý đều có thể xác định trực tiếp nhờ so sánh chúng với một đại lượng cùng bản chất. Nhiệt độ là đại lượng chỉ có thể đo gián tiếp dựa vào sự phụ thuộc của tính chất vật liệu vào nhiệt độ. Thang đo nhiệt độ Để đo nhiệt độ trước hết phải thiết lập thang nhiệt độ. Thang nhiệt độ tuyệt đối được thiết lập dựa vào tính chất của khí lý tưởng. Theo định lý Carnot: hiệu suất η của một động cơ nhiệt thuận nghịch hoạt động giữa hai nguồn có nhiệt độ θ1 và θ2 trong một thang đo bất kỳ chỉ phụ thuộc vào θ1 và θ2: Dạng của hàm F phụ thuộc vào thang đo nhiệt độ. Ngược lại việc chọn dạng hàm F sẽ quyết định thang đo nhiệt độ. Đặt F(θ) = T, khi đó hiệu suất nhiệt của động cơ nhiệt thuận nghịch được viết như sau: Trong đó T1 và T2 là nhiệt độ động học tuyệt đối của hai nguồn. Đối với chất khí lý tưởng, nội năng U chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ của chất khí và phương trình đặc trưng liên hệ giữa áp suất p, thể tích v và nhiệt độ có dạng: Có thể chứng minh được rằng: 25/191
28. Trong đó R là hằng số khí lý tưởng, T là nhiệt độ động học tuyệt đối. Để có thể gán một giá trị số cho T, cần phải xác định đơn vị cho nhiệt độ. Muốn vậy chỉ cần gán giá trị cho nhiệt độ tương ứng với một hiện tượng nào đó với điều kiện hiện tượng này hoàn toàn xác định và có tính lặp lại. Thang Kelvin (Thomson Kelvin - 1852): Thang nhiệt độ động học tuyệt đối, đơn vị nhiệt độ là K. Trong thang đo này người ta gán cho nhiệt độ của điểm cân bằng ba trạng thái nước - nước đá - hơi một giá trị số bằng 273,15 K. Thang Celsius (Andreas Celsius - 1742): Thang nhiệt độ bách phân, đơn vị nhiệt độ là oC và một độ Celsius bằng một độ Kelvin. Nhiệt độ Celsius xác định qua nhiệt độ Kelvin theo biểu thức: Thang Fahrenheit (Fahrenheit - 1706): Đơn vị nhiệt độ là oF. Trong thang đo này, nhiệt độ của điểm nước đá tan là 32oF và điểm nước sôi là 212oF. Quan hệ giữa nhiệt độ Fahrenheit và nhiệt Celssius: Bảng 3.1 Cho các giá trị tương ứng của một số nhiệt độ quan trọng theo các thang đo khác nhau. Bảng 3.1 Nhiệt độ Kelvin (K) Celsius (oC) Fahrenheit (oF) Điểm 0 tuyệt đối 0 -273,15 -459,67 Hỗn hợp nước - nước đá 273,15 0 32 Cân bằngnước - nước đá - hơi 273,16 0,01 32,018 Nước sôi 373,15 100 212 26/191
29. Nhiệt độ đo được và nhiệt độ cần đo Giả sử môi trường đo có nhiệt độ thực bằng Tx, nhưng khi đo ta chỉ nhận được nhiệt độ Tc là nhiệt độ của phần tử cảm nhận của cảm biến. Nhiệt độ Tx gọi là nhiệt độ cần đo, nhiệt độ Tc gọi là nhiệt độ đo được. Điều kiện để đo đúng nhiệt độ là phải có sự cân bằng nhiệt giữa môi trường đo và cảm biến. Tuy nhiên, do nhiều nguyên nhân, nhiệt độ cảm biến không bao giờ đạt tới nhiệt độ môi trường Tx, do đó tồn tại một chênh lệch nhiệt độ Tx - Tc nhất định. Độ chính xác của phép đo phụ thuộc vào hiệu số Tx - Tc , hiệu số này càng bé, độ chính xác của phép đo càng cao. Muốn vậy khi đo cần phải: - Tăng cườnng sự trao đổi nhiệt giữa bộ cảm biến và môi trường đo. - Giảm sự trao đổi nhiệt giữa bộ cảm biến và môi trường bên ngoài. Chúng ta hãy khảo sát trường hợp đo bằng cảm biến tiếp xúc. Lượng nhiệt truyền từ môi trường vào bộ cảm biến xác định theo công thức: Với: ? - hệ số dẫn nhiệt. A - diện tích bề mặt trao đổi nhiệt. T - thời gian trao đổi nhiệt. Lượng nhiệt cảm biến hấp thụ: Với: m - khối lượng cảm biến. C - nhiệt dung của cảm biến. Nêu bỏ qua tổn thất nhiệt của cảm biến ra môi trường ngoài và giá đỡ, ta có: Đặt 27/191
30. , gọi là hằng số thờigian nhiệt, ta có: Nghiệm của phương trình có dạng: Hình 3.1. Trao đổi nhiệt của cảm biến Để tăng cường trao đổi nhiệt giữa môi trường có nhiệt độ cần đo và cảm biến ta phải dùng cảm biến có phần tử cảm nhận có tỉ nhiệt thấp, hệ số dẫn nhiệt cao, để hạn chế tổn thất nhiệt từ cảm biến ra ngoài thì các tiếp điểm dẫn từ phần tử cảm nhận ra mạch đo bên ngoài phải có hệ số dẫn nhiệt thấp. Phân loại cảm biến đo nhiệt độ Các cảm biến đo nhiệt độ được chia làm hai nhóm: - Cảm biến tiếp xúc: cảm biến tiếp xúc với môi trường đo, gồm: + Cảm biến giản nở (nhiệt kế giản nở). + Cảm biến điện trở (nhiệt điện trở). + Cặp nhiệt ngẫu. - Cảm biến không tiếp xúc: hoả kế. Dưới đây nghiên cứu một số loại cảm biến cơ bản. 28/191
31. Nhiệt kế giãn nở Nguyên lý hoạt động của nhiệt kế giãn nở dựa vào sự giãn nở của vật liệu khi tăng nhiệt độ. Nhiệt kế loại này có ưu điểm kết cấu đơn giản, dễ chế tạo. Nhiệt kế giãn nở dùng chất rắn Thường có hai loại: gốm và kim loại, kim loại và kim loại. Hình 3.2: Nhiệt kế giãn nở a) Nhiệt kế gốm - kim loại b) Nhiệt kế kim loại - kim loại - Nhiệt kế gốm - kim loại(Dilatomet): gồm một thanh gốm (1) đặt trong ống kim loại (2), một đầu thanh gốm liên kết với ống kim loại, còn đầu A nối với hệ thống truyền động tới bộ phận chỉ thị. Hệ số giãn nở nhiệt của kim loại và của gốm là αk và αg. Do αk > αg, khi nhiệt độ tăng một lượng dt, thanh kim loại giãn thêm một lượng dlk, thanh gốm giãn thêm dlg với dlk>dlg, làm cho thanh gốm dịch sang phải. Dịch chuyển của thanh gốm phụ thuộc dlk - dlg do đó phụ thuộc nhiệt độ. - Nhiệt kế kim loại - kim loại: gồm hai thanh kim loại (1) và (2) có hệ số giãn nở nhiệt khác nhau liên kết với nhau theo chiều dọc. Giả sử α1 > α2 , khi giãn nở nhiệt hai thanh kim loại cong về phía thanh (2). Dựa vào độ cong của thanh kim loại để xác định nhiệt độ. Nhiệt kế giãn nở dùng chất rắn thường dùng để đo nhiệt độ dưới 700oC. Nhiệt kế giãn nở dùng chất lỏng Nhiệt kế gồm bình nhiệt (1), ống mao dẫn (2) và chất lỏng (3). Chất lỏng sử dụng thường dùng là thuỷ ngân có hệ số giãn nở nhiệt α =18.10-5/oC, vỏ nhiệt kế bằng thuỷ tinh có α =2.10-5/oC. 29/191
32. Khi đo nhiệt độ, bình nhiệt được đặt tiếp xúc với môi trường đo. Khi nhiệt độ tăng, chất lỏng giãn nở và dâng lên trong ống mao dẫn. Thang đo được chia độ trên vỏ theo dọc ống mao dẫn. Dải nhiệt độ làm việc từ - 50 ÷ 600oC tuỳ theo vật liệu chế tạo vỏ bọc. 30/191
33. Nhiệt kế điện trở Nguyên lý Nguyên lý chung đo nhiệt độ bằng các điện trở là dựa vào sự phụ thuộc điện trở suất của vật liệu theo nhiệt độ. Trong trường hợp tổng quát, sự thay đổi điện trở theo nhiệt độ có dạng: R0 là điện trở ở nhiệt độ T0, F là hàm đặc trưng cho vật liệu và F = 1 khi T = T0. Hình 3.3: Nhiệt kế giản nở dùng chất lỏng Hiện nay thường sử dụng ba loại điện trở đo nhiệt độ đó là: điện trở kim loại, điện trở silic và điện trở chế tạo bằng hỗn hợp các oxyt bán dẫn. Trường hợp điện trở kim loại, hàm trên có dạng: o o Trong đó nhiệt độ T đo bằng C, T0=0 C và A, B, C là các hệ số thực nghiệm. Trường hợp điện trở là hỗn hợp các oxyt bán dẫn: 31/191
34. T là nhiệt độ tuyệt đối, B là hệ số thực nghiệm. Các hệ số được xác định chính xác bằng thực nghiệm khi đo những nhiệt độ đã biết trước. Khi đã biết giá trị các hệ số, từ giá trị của R người ta xác định được nhiệt độ cần đo. Khi độ biến thiên của nhiệt độ ΔT (xung quanh giá trị T) nhỏ, điện trở có thể coi như thay đổi theo hàm tuyến tính: Trong đó: được gọi hệ số nhiệt của điện trở hay còn gọi là độ nhạy nhiệt ở nhiệt độ T. Độ nhạy nhiệt phụ thuộc vào vật liệu và nhiệt độ, ví dụ ở 0oC platin (Pt) có aR=3,9.10-3/oC. Chất lượng thiết bị đo xác định giá trị nhỏ nhất mà nó có thể đo được , do đó cũng xác định sự thay đổi nhỏ nhất của nhiệt độ có thể phát hiện được: Ví dụ nếu và với những phép đo quanh điểm 0oC, vật liệu là platin thì . Thực ra, điện trở không chỉ thay đổi khi nhiệt độ thay đổi do sự thay đổi điện trở suất mà còn chịu tác động của sự thay đổi kích thước hình học của nó. Bởi vậy đối với một điện trở dây có chiều dài l và tiết diện s, hệ số nhiệt độ có dạng: 32/191
35. Trên thực tế thường αρ >> α1 nên có thể coi αR = αρ. Nhiệt kế điện trở kim loại Vật liệu Yêu cầu chung đối với vật liệu làm điện trở: - Có điện trở suất ρ đủ lớn để điện trở ban đầu R0 lớn mà kích thước nhiệt kế vẫn nhỏ. - Hệ số nhiệt điện trở của nó tốt nhất là luôn luôn không đổi dấu, không triệt tiêu. - Có đủ độ bền cơ, hoá ở nhiệt độ làm việc. - Dễ gia công và có khả năng thay lẫn. Các cảm biến nhiệt thường được chế tạo bằng Pt và Ni. Ngoài ra còn dùng Cu, W. - Platin : + Có thể chế tạo với độ tinh khiết rất cao (99,999%) do đó tăng độ chính xác của các tính chất điện. + Có tính trơ về mặt hoá học và tính ổn định cấu trúc tinh thể cao do đó đảm bảo tính ổn định cao về các đặc tính dẫn điện trong quá trình sử dụng. + Hệ số nhiệt điện trở ở 0oC bằng 3,9.10-3/oC. + Điện trở ở 100oC lớn gấp 1,385 lần so với ở 0oC. + Dải nhiệt độ làm việc khá rộng từ -200oC ÷1000oC. 33/191
36. - Nikel: + Có độ nhạy nhiệt cao, bằng 4,7.10-3/oC. + Điện trở ở 100oC lớn gấp 1,617 lần so với ở 0oC. + Dễ bị oxy hoá khi ở nhiệt độ cao làm giảm tính ổn định. + Dải nhiệt độ làm việc thấp hơn 250oC. Đồng được sử dụng trong một số trường hợp nhờ độ tuyến tính cao của điện trở theo nhiệt độ. Tuy nhiên, hoạt tính hoá học của đồng cao nên nhiệt độ làm việc thường không vượt quá 180oC. Điện trở suất của đồng nhỏ, do đó để chế tạo điện trở có điện trở lớn phải tăng chiều dài dây làm tăng kích thước điện trở. Wonfram có độ nhạy nhiệt và độ tuyến tính cao hơn platin, có thể làm việc ở nhiệt độ cao hơn. Wonfram có thể chế tạo dạng sợi rất mảnh nên có thể chế tạo được các điện trở cao với kích thước nhỏ. Tuy nhiên, ứng suất dư sau khi kéo sợi khó bị triệt tiêu hoàn toàn bằng cách ủ do đó giảm tính ổn định của điện trở. Cấu tạo nhiệt kế điện trở Để tránh sự làm nóng đầu đo dòng điện chạy qua điện trở thường giới hạn ở giá trị một vài mA và điện trở có độ nhạy nhiệt cao thì điện trở phải có giá trị đủ lớn. Muốn vậy phải giảm tiết diện dây hoặc tăng chiều dài dây. Tuy nhiên khi giảm tiết diện dây độ bền lại thấp, dây điện trở dễ bị đứt, việc tăng chiều dài dây lại làm tăng kích thước điện trở. Để hợp lý người ta thường chọn điện trở R ở 0oC có giá trị vào khoảng 100?, khi đó với điện trở platin sẽ có đường kính dây cỡ vài μm và chiều dài khoảng 10cm, sau khi quấn lại sẽ nhận được nhiệt kế có chiều dài cỡ 1cm. Các sản phẩm thương mại thường có điện trở ở 0oC là 50?, 500? và 1000?, các điện trở lớn thường được dùng để đo ở dải nhiệt độ thấp. - Nhiệt kế công nghiệp: Để sử dụng cho mục đích công nghiệp, các nhiệt kế phải có vỏ bọc tốt chống được va chạm mạnh và rung động, điện trở kim loại được cuốn và bao bọc trong thuỷ tinh hoặc gốm và đặt trong vỏ bảo vệ bằng thép. Trên hình 3.4 là các nhiệt kế dùng trong công nghiệp bằng điện trở kim loại platin. 34/191
37. Hình 3.4: Nhiệt kế công nghiệp dùng điện trở platin 1) Dây platin 2) Gốm cách điện 3) ống platin 4) Dây nối 5) Sứ cách điện 6) Trục gá 7) Cách điện 8) Vỏ bọc 9) Xi măng - Nhiệt kế bề mặt: Nhiệt kế bề mặt dùng để đo nhiệt độ trên bề mặt của vật rắn. Chúng thường được chế tạo bằng phương pháp quang hoá và sử dụng vật liệu làm điện trở là Ni, Fe-Ni hoặc Pt. Cấu trúc của một nhiệt kế bề mặt có dạng như hình vẽ 3.5. Chiều dày lớp kim loại cỡ vài àm và kích thước nhiệt kế cỡ 1cm2 . Hình 3.5: Nhiệt kế bề mặt Đặc trưng chính của nhiệt kế bề mặt: - Độ nhạy nhiệt : ~5.10-3/oC đối với trường hợp Ni và Fe-Ni ~4.10-3/oC đối với trường hợp Pt. - Dải nhiệt độ sử dụng: -195oC ÷ 260oC đối với Ni và Fe-Ni. -260oC ÷1400oC đối với Pt. 35/191
38. Khi sử dụng nhiệt kế bề mặt cần đặc biệt lưu ý đến ảnh hưởng biến dạng của bề mặt đo. Nhiệt kế điện trở silic Silic tinh khiết hoặc đơn tinh thể silic có hệ số nhiệt điện trở âm, tuy nhiên khi được kích tạp loại n thì trong khoảng nhiệt độ thấp chúng lại có hệ số nhiệt điện trở dương, hệ số nhiệt điện trở ~0,7%/oC ở 25oC. Phần tử cảm nhận nhiệt của cảm biến silic được chế tạo có kích thước 500x500x240 μm được mạ kim loại ở một phía còn phía kia là bề mặt tiếp xúc. Trong dải nhiệt độ làm việc (-55 ÷200oC) có thể lấy gần đúng giá trị điện trở của cảm biến theo nhiệt độ theo công thức: Trong đó R0 và T0 là điện trở và nhiệt độ tuyệt đối ở điểm chuẩn. Sự thay đổi nhiệt của điện trở tương đối nhỏ nên có thể tuyến tính hoá bằng cách mắc thêm một điện trở phụ. Hình 3.6: Sự phụ thuộc nhiệt độ của điện trở silic Nhiệt kế điện trở oxyt bán dẫn Vật liệu chế tạo Nhiệt điện trở được chế tạo từ hỗn hợp oxyt bán dẫn đa tinh thể như: MgO, MgAl2O4, Mn2O3, Fe3O4, Co2O3, NiO, ZnTiO4. 36/191
39. Sự phụ thuộc của điện trở của nhiệt điện trở theo nhiệt độ cho bởi biểu thức: Trong đó R0(?) là điện trở ở nhiệt độ T0(K). Độ nhạy nhiệt có dạng: Vì ảnh hưởng của hàm mũ đến điện trở chiếm ưu thế nên biểu thức (3.11) có thể viết lại: Và độ nhạy nhiệt: Với B có giá trị trong khoảng 3.000 - 5.000K. Cấu tạo Hỗn hợp bột oxyt được trộn theo tỉ lệ thích hợp sau đó được nén định dạng và thiêu kết ở nhiệt độ ~1000oC. Các dây nối kim loại được hàn tại hai điểm trên bề mặt và được phủ bằng một lớp kim loại. Mặt ngoài có thể bọc bởi vỏ thuỷ tinh. Nhiệt điện trở có độ nhạy nhiệt rất cao nên có thể dùng để phát hiện những biến thiên nhiệt độ rất nhỏ cỡ 10-4 -10-3K. Kích thước cảm biến nhỏ có thể đo nhiệt độ tại từng điểm. Nhiệt dung cảm biến nhỏ nên thời gian hồi đáp nhỏ. Tuỳ thuộc thành phần chế tạo, dải nhiệt độ làm việc của cảm biến nhiệt điện trở từ vài độ đến khoảng 300oC. Hình 3.7: Cấu tạo nhiệt điện trở có vỏ bọc thuỷ tinh 37/191
40. Bài 5: CÁC LOẠI CẢM BIẾN NHIỆT Cảm biến nhiệt ngẫu Hiệu ứng nhiệt điện Phương pháp đo nhiệt độ bằng cảm biến nhiệt ngẫu dựa trên cơ sở hiệu ứng nhiệt điện. Người ta nhận thấy rằng khi hai dây dẫn chế tạo từ vật liệu có bản chất hoá học khác nhau được nối với nhau bằng mối hàn thành một mạch kín và nhiệt độ hai mối hàn là t và t0 khác nhau thì trong mạch xuất hiện một dòng điện. Sức điện động xuất hiện do hiệu ứng nhiệt điện gọi là sức điện động nhiệt điện. Nếu một đầu của cặp nhiệt ngẫu hàn nối với nhau, còn đầu thứ hai để hở thì giữa hai cực xuất hiện một hiệu điện thế. Hiện tượng trên có thể giải thích như sau: Trong kim loại luôn luôn tồn tại một nồng độ điện tử tự do nhất định phụ thuộc bản chất kim loại và nhiệt độ. Thông thường khi nhiệt độ tăng, nồng độ điện tử tăng. Giả sử ở nhiệt độ t0 nồng độ điện tử trong A là NA(t0), trong B là NB(t0) và ở nhiệt độ t nồng độ điện tử trong A là NA(t), trong B là NB(t), nếu NA(t0) > NB(t0) thì nói chung NA(t) > NB(t). Xét đầu làm việc (nhiệt độ t), do NA(t) > NB(t) nên có sự khuếch tán điện tử từ A -> B và ở chổ tiếp xúc xuất hiện một hiệu điện thế eAB(t) có tác dụng cản trở sự khuếch tán. Khi đạt cân bằng eAB(t) sẽ không đổi. Hình 5.1: Sơ đồ nguyên lý cặp nhiệt ngẫu Tương tự tại mặt tiếp xúc ở đầu tự do (nhiệt độ t0) cũng xuất hiện một hiệu điện thế eAB(t0). Giữa hai đầu của một dây dẫn cũng có chênh lệch nồng độ điện tử tự do, do đó cũng có sự khuếch tán điện tử và hình thành hiệu điện thế tương ứng trong A là eA(t,t0) 38/191
41. và trong B là eB(t,t0). Sức điện động tổng sinh ra do hiệu ứng nhiệt điện xác định bởi công thức sau: (5.1) Vì eA(t0,t) và eB(t,t0) nhỏ và ngược chiều nhau có thể bỏ qua, nên ta có: (5.2) Nếu nhiệt độ hai mối hàn bằng nhau, chẳng hạn bằng t0 khi đó sức điện động tổng: (5.3) Hay: (5.4) Như vậy: (5.5) Phương trình (5.5) gọi là phương trình cơ bản của cặp nhiệt ngẫu. Từ phương trình (5.5) nhận thấy nếu giữ nhiệt độ t = const thì: (5.6) Chọn nhiệt độ ở một mối hàn t0 = const biết trước làm nhiệt độ so sánh và đo sức điện động sinh ra trong mạch ta có thể xác định được nhiệt độ t ở mối hàn thứ hai. Sức điện động của cặp nhiệt không thay đổi nếu chúng ta nối thêm vào mạch một dây dẫn thứ ba (hình 5.2) nếu nhiệt độ hai đầu nối của dây thứ ba giống nhau. Thật vậy: - Trong trường hợp a: 39/191
42. Vì: Nên: Hình 5.2: Sơ đồ nối cặp nhiệt với dây dẫn thứ ba - Trường hợp b: Vì: Nên: Nếu nhiệt độ hai đầu nối khác nhau sẽ làm xuất hiện sức điện động ký sinh. 40/191
43. Cấu tạo cặp nhiệt Vật liệu chế tạo Để chế tạo cực nhiệt điện có thể dùng nhiều kim loại và hợp kim khác nhau. Tuy nhiên chúng phải đảm bảo các yêu cầu sau: - Sức điện động đủ lớn (để dể dàng chế tạo dụng cụ đo thứ cấp). - Có đủ độ bền cơ học và hoá học ở nhiệt độ làm việc. - Dễ kéo sợi. - Có khả năng thay lẫn. - Giá thành rẽ. Hình 5.3 biểu diễn quan hệ giữa sức điện động và nhiệt độ của các vật liệu dùng để chế tạo điện cực so với điện cực chuẩn platin. Hình 5.3: Sức điện động của một số vật liệu chế tạo điện cực 1) Telua 2) Chromel 3) Sắt 4) Đồng 5) Graphit 6) Hợp kim platin-rođi 7) Platin 8) Alumel 9) Niken 10) Constantan 11) Coben - Cặp Platin - Rođi/Platin: 41/191
44. Cực dương là hợp kim Platin (90%) và rôđi (10%), cực âm là platin sạch. Nhiệt độ làm o o việc ngắn hạn cho phép tới 1600 C , Eđ =16,77mV. Nhiệt độ làm việc dài hạn <1300 C. Đường đặc tính có dạng bậc hai, trong khoảng nhiệt độ 0 - 300oC thì E ˜ 0. Trong môi trường có SiO2 có thể hỏng ở nhiệt độ 1000 - 1100oC. Đường kính điện cực thường chế tạo φ = 0,5 mm. Do sai khác của các cặp nhiệt khác nhau tương đối nhỏ nên loại cặp nhiệt này thường được dùng làm cặp nhiệt chuẩn. - Cặp nhiệt Chromel/Alumel: Cực dương là Chromel, hợp kim gồm 80%Ni + 10%Cr + 10%Fe. Cực âm là Alumen, hợp kim gồm 95%Ni + 5%(Mn + Cr+Si). o Nhiệt độ làm việc ngắn hạn ~1100 C, Eđ = 46,16 mV. Nhiệt độ làm việc dài hạn < 900oC. Đường kính cực φ= 3 mm. - Cặp nhiệt Chromel/Coben: Cực dương là chromel, cực âm là coben là hợp kim gồm 56%Cu + 44% Ni. o Nhiệt độ làm việc ngắn hạn 800 C, Eđ = 66 mV. Nhiệt độ làm việc dài hạn < 600oC. - Cặp nhiệt Đồng/Coben: Cực dương là đồng sạch, cực âm là coben. Nhiệt độ làm việc ngắn hạn 600oC. Nhiệt độ làm việc dài hạn <300oC. Loại này được dùng nhiều trong thí nghiệm vì dễ chế tạo. Quan hệ giữa sức điện động và nhiệt độ của một số cặp nhiệt cho ở hình 5.4. 42/191
45. Hình 5.4: Sức điện động của một số cặp nhiệt ngẫu E-Chromel/Constantan RƯ Platin-Rodi (13%)/Platin J- Sắt/Constantan S- Platin-Rodi (10%)/Platin K- Chromel/Alumel B-Platin-rodi (30%)/ Platin-rodi (6%) Cấu tạo Cấu tạo điển hình của một cặp nhiệt công nghiệp trình bày trên hình 5.5. Hình 5.5: Cấu tạo cặp nhiệt 1) Vỏ bảo vệ 2) Mối hàn 3) Dây điện cực 4) Sứ cách điện 5) Bộ phận lắp đặt 6) Vít nối dây 7) Dây nối 8) Đầu nối dây Đầu làm việc của các điện cực (3) được hàn nối với nhau bằng hàn vảy, hàn khí hoặc hàn bằng tia điện tử. Đầu tự do nối với dây nối (7) tới dụng cụ đo nhờ các vít nối (6) dây đặt trong đầu nối dây (8). Để cách ly các điện cực người ta dùng các ống sứ cách điện (4), sứ cách điện phải trơ về hoá học và đủ độ bền cơ và nhiệt ở nhiệt độ làm việc. Để bảo vệ các điện cực, các cặp nhiệt có vỏ bảo vệ (1) làm bằng sứ chịu nhiệt hoặc thép chịu nhiệt. Hệ thống vỏ bảo vệ phải có nhiệt dung đủ nhỏ để giảm bớt quán tính nhiệt và vật liệu chế tạo vỏ phải có độ dẫn nhiệt không quá nhỏ nhưng cũng không được quá 43/191
46. lớn. Trường hợp vỏ bằng thép mối hàn ở đầu làm việc có thể tiếp xúc với vỏ để giảm thời gian hồi đáp. Mạch đo và dụng cụ thứ cấp Nhiệt độ cần đo được xác định thông qua việc đo sức điện động sinh ra ở hai đầu dây của cặp nhiệt ngẫu. Độ chính xác của phép đo sức điện động của cặp nhiệt ngẫu phụ thuộc nhiều yếu tố. Muốn nâng cao độ chính xác cần phải: - Giảm thiểu ảnh hưởng của tác động của môi trường đo lên nhiệt độ đầu tự do. - Giảm thiểu sự sụt áp do có dòng điện chạy qua các phần tử của cảm biến và mạch đo. Sơ đồ mạch đo dùng milivôn kế - Sơ đồ: Trên hình 5.6 biểu diễn sơ đồ đo thông dụng sử dụng milivôn kế từ điện. Hình 5.6: Sơ đồ mạch đo Hình 5.7 : Sơ đồ đo vi sai 44/191
47. Khi nhiệt độ hai đầu tự do (2) và (3) bằng nhau thì sức điện động trong mạch chính là sức điện động của cặp nhiệt, nếu chúng khác nhau thì trong mạch xuất hiện suất điện động ký sinh ở các mối nối và làm sai lệch kết quả đo. Để đo trực tiếp hiệu nhiệt độ giữa hai điểm người ta dùng sơ đồ đo vi sai như hình 5.7. Trong sơ đồ này, cả hai đầu 1 và 2 của cặp nhiệt là đầu làm việc tương ứng với nhiệt độ t1 và t2. Kết quả đo cho phép ta xác định trực tiếp giá trị của hiệu số hai nhiệt độ t1 - t2. Hình 5.8: Sơ đồ mắc nối tiếp Hình 5.9: Hiệu chỉnh nhiệt độ đầu tự do Trường hợp nhiệt độ môi trường đo không khác nhiều nhiệt độ đầu tự do, để tăng độ nhạy phép đo có thể mắc theo sơ đồ nối tiếp n cặp nhiệt như hình 5.8. Sức điện động tổng của bộ mắc nối tiếp bằng nEAB(t,t0). Sơ đồ mạch đo xung đối dùng điện thế kế Trên hình 5.10 trình bày sơ đồ đo bằng phương pháp xung đối, dựa theo nguyên tắc so sánh điện áp cần đo với một điện áp rơi trên một đoạn điện trở. 45/191
48. Hình 5.10: Sơ đồ đo bằng phương pháp bù Theo sơ đồ hình (5.10a) ta có: Nếu EX = I0RAB thì IP = 0, tức là điện thế kế chỉ không, khi đó điện áp rơi trên AB bằng giá trị EX cần đo. Ta có: Nếu cố định được I0, L, R ta có Ex phụ thuộc đơn trị vào l tức là phụ thuộc vào vị trí con chạy của đồng hồ đo. Trên sơ đồ hình (5.10b), EM là một pin mẫu, RM là một điện trở mẫu bằng manganin. Khi đóng P vào K thì điện áp rơi trên RM được so sánh với pin mẫu. Nếu kim điện kế chỉ không thì không cần điều chỉnh dòng I0, nếu kim điện kế lệch khỏi không thì dịch 46/191
49. chuyển Rđc để kim điện kế về không. Khi đo đóng P vào D và xê dịch biến trở R để kim điện kế chỉ không, khi đó Ex = UAB. 47/191
50. Hoả kết Các cảm biến quang thuộc loại cảm biến đo nhiệt độ không tiếp xúc, gồm: hoả kế bức xạ toàn phần, hoả kế quang học. Hoả kế bức xạ toàn phần Nguyên lý dựa trên định luật: Năng lượng bức xạ toàn phần của vật đen tuyệt đối tỉ lệ với luỹ thừa bậc 4 của nhiệt độ tuyệt đối của vật. Trong đó: σ là hằng số, T là nhiệt độ tuyệt đối của vật đen tuyệt đối (K). Thông thường có hai loại: hoả kế bức xạ có ống kính hội tụ, hoả kế bức xạ có kính phản xạ. Hình 5.11: Hoả kế bức xạ toàn phần a) Loại có ống kính hội tụ b) Loại có kính phản xạ 1) Nguồn bức xạ 2) Thấu kính hội tụ 3) Gương phản xạ 4) Bộ phân thu năng lượng 5) Dụng cụ đo thứ cấp Trong sơ đồ hình (5.11a): ánh sáng từ nguồn bức xạ (1) qua thấu kính hội tụ (2) đập tới bộ phận thu năng lượng tia bức xạ (4), bộ phận này được nối với dụng cụ đo thứ cấp (5). Trong sơ đồ hình (5.11b): ánh sáng từ nguồn bức xạ (1) đập tới gương phản xạ (3) và hội tụ tới bộ phận thu năng lượng tia bức xạ (4), bộ phận này được nối với dụng cụ đo thứ cấp (5). Bộ phận thu năng lượngcó thể là một vi nhiệt kế điện trở hoặc là một tổ hợp cặp nhiệt, chúng phải thoả mãn các yêu cầu: 48/191
51. + Có thể làm việc bình thường trong khoảng nhiệt độ 100 - 150oC. + Phải có quán tính nhiệt đủ nhỏ và ổn định sau 3 - 5 giây. + Kích thước đủ nhỏ để tập trung năng lượng bức xạ vào đo. Trên hình 5.12 trình bày cấu tạo của một bộ thu là tổ hợp cặp nhiệt. Các cặp nhiệt (1) thường dùng cặp crômen/côben mắc nối tiếp với nhau. Các vệt đen (2) phủ bằng bột platin. Hoả kế dùng gương phản xạ tổn thất năng lượng thấp (~10%), hoả kế dùng thấu kính hội tụ có thể tổn thất tới 30 - 40%. Tuy nhiên loại thứ nhất lại có nhược điểm là khi môi trường nhiều bụi, gương bị bẩn, độ phản xạ giảm do đó tăng sai số. Khi đo nhiệt độ bằng hoả kế bức xạ sai số thường không vượt quá 27oC, trong điều kiện: + Vật đo phải có độ den xấp xỉ bằng 1. + Tỉ lệ giữa đường kính vật bức xạ và khoảng cách đo (D/L) không nhỏ hơn 1/16. Hình 5.12: Bộ thu năng lượng 1) Cặp nhiệt 2)Lớp phủ platin + Nhiệt độ môi trường 20 ± 2oC. Trong thực tế độ đen của vật đo e <1, khi đó Thông thường xác định theo công thức sau: 49/191
52. Với ΔT là lượng hiệu chỉnh phụ thuộc Tđọc và độ đen của vật đo (hình 5.13). Khoảng cách đo tốt nhất là 1 ± 0,2 mét. Hình 5.13: Hiệu chỉnh nhiệt độ theo độ đen Hoả kế quang điện Hoả kế quang điện chế tạo dựa trên định luật Plăng: Trong đó λ là bước sóng, C1, C2 là các hằng số. Nguyên tắc đo nhiệt độ bằng hoả kế quang học là so sánh cường độ sáng của vật cần đo và độ sáng của một đèn mẫu ở trong cùng một bước sóng nhất định và theo cùng một hướng. Khi độ sáng của chúng bằng nhau thì nhiệt độ của chúng bằng nhau. Từ hình 5.14 ta nhận thấy sự phụ thuộc giữa I và λ không đơn trị, do đó người ta thường cố định bước sóng ở 0,65μm. Hình 5.14: Sự phụ thuộc củacường độ ánh sáng vào bước sóng và nhiệt độ 50/191
53. Hình 5.15: Sơ đồ hoả kế quang học 1) Nguồn bức xạ 2)Vật kính 3) Kính lọc 4&6) Thành ngăn 5) Bóng đèn mẫu 7) Kính lọc ánh sáng đỏ 8) Thị kính Khi đo, hướng hoả kế vào vật cần đo, ánh sáng từ vật bức xạ cần đo nhiệt độ (1) qua vật kính (2), kính lọc (3), và các vách ngăn (4), (6), kính lọc ánh sánh đỏ (7) tới thị kính (8) và mắt. Bật công tắc K để cấp điện nung nóng dây tóc bóng đèn mẫu (5), điều chỉnh biến trở Rb để độ sáng của dây tóc bóng đèn trùng với độ sáng của vật cần đo. Sai số khi đo: Sai số do độ đen của vật đo ε < 1. Khi đó Tđo xác định bởi công thức: Công thức hiệu chỉnh: Tđo = Tđọc + ΔT Giá trị của ΔT cho theo đồ thị. Ngoài ra sai số của phép đo còn do ảnh hưởng của khoảng cách đo, tuy nhiên sai số này thường nhỏ. Khi môi trường có bụi làm bẩn ống kính, kết quả đo cũng bị ảnh hưởng. 51/191
54. Bài 7: CẢM BIẾN QUANG Tính chất và đơn vị đo ánh sáng Tính chất của ánh sáng Như chúng ta đã biết, ánh sáng vừa có tính chất sóng vừa có tính chất hạt. Ánh sáng là một dạng của sóng điện từ, vùng ánh sáng nhìn thấy có bước sóng từ 0,4 - 0,75 μm. Trên hình 7.1 biểu diễn phổ ánh sáng và sự phân chia thành các dải màu của phổ. Hình 7.1: Phổ ánh sáng Vận tốc truyền ánh sáng trong chân không c = 299.792 km/s, trong môi trường vật chất vận tốc truyền sóng giảm, được xác định theo công thức: n - chiết suất của môi trường. Mối quan hệ giữa tần số ν và bước sóng λ của ánh sáng xác định bởi biểu thức: - Khi môi trường là chân không : 52/191
55. - Khi môi trường là vật chất : Trong đó ν là tần số ánh sáng. Tính chất hạt của ánh sáng thể hiện qua sự tương tác của ánh sáng với vật chất. Ánh sáng gồm các hạt nhỏ gọi là photon, mỗi hạt mang một năng lượng nhất định, năng lượng này chỉ phụ thuộc tần số ν của ánh sáng: (7.1) Trong đó h là hằng số Planck (h = 6,6256.10-34J.s). Bước sóng của bức xạ ánh sáng càng dài thì tính chất sóng thể hiện càng rõ, ngược lại khi bước sóng càng ngắn thì tính chất hạt thể hiện càng rõ. Các đơn vị đo quang Đơn vị đo năng lượng - Năng lượng bức xạ (Q): là năng lượng lan truyền hoặc hấp thụ dưới dạng bức xạ đo bằng Jun (J). - Thông lượng ánh sáng (F): là công suất phát xạ, lan truyền hoặc hấp thụ đo bằng oat (W): (7.2) - Cường độ ánh sáng (I): là luồng năng lượng phát ra theo một hướng cho trước ứng với một đơn vị góc khối, tính bằng oat/steriadian. (7.3) 53/191
56. - Độ chói năng lượng (L): là tỉ số giữa cường độ ánh sáng phát ra bởi một phần tử bề mặt có diện tích dA theo một hướng xác định và diện tích hình chiếu dAn của phần tử này trên mặt phẳng P vuông góc với hướng đó. (7.4) Trong đó dAn = dA.cosφ, với φ là góc giữa P và mặt phẳng chứa dA. Độ chói năng lượng đo bằng oat/Steriadian.m2 - Độ rọi năng lượng (E): là tỉ số giữa luồng năng lượng thu được bởi một phần tử bề mặt và diện tích của phần tử đó. (7.5) Độ rọi năng lượng đo bằng oat/m2. Đơn vị đo thị giác Độ nhạy của mắt người đối với ánh sáng có bước sóng khác nhau là khác nhau. Hình 7.2 biểu diễn độ nhạy tương đối của mắt V(λ) vào bước sóng. Các đại lượng thị giác nhận được từ đại lượng năng lượng tương ứng thông qua hệ số tỉ lệ K.V(λ). Hình 7.2: Đường cong độ nhạy tương đối của mắt Theo quy ước, một luồng ánh sánh có năng lượng 1W ứng với bước sóng ?max tương ứng với luồng ánh sáng bằng 680 lumen, do đó K=680. 54/191
57. Do vậy luồng ánh sáng đơn sắc tính theo đơn vị đo thị giác: Đối với ánh sáng phổ liên tục: Tương tự như vậy ta có thể chuyển đổi tương ứng các đơn vị đo năng lượng và đơn vị đo thị giác. Bảng 7.1 liệt kê các đơn vị đo quang cơ bản. Bảng 7.1 Đại lượng đo Đơn vị thị giác Đơn vị năng lượng Luồng (thông lượng) lumen(lm) oat(W) Cường độ cadela(cd) oat/sr(W/sr) Độ chói cadela/m2(cd/m2) oat/sr.m2 (W/sr.m2) Độ rọi lumen/m2 hay lux (lx) oat/m2 (W/m2) Năng lượng lumen.s (lm.s) jun (j) 55/191
58. Cảm biến quang dẫn Hiệu ứng quang dẫn Hiệu ứng quang dẫn (hay còn gọi là hiệu ứng quang điện nội) là hiện tượng giải phóng những hạt tải điện (hạt dẫn) trong vật liệu dưới tác dụng của ánh sáng làm tăng độ dẫn điện của vật liệu. Trong chất bán dẫn, các điện tử liên kết với hạt nhân, để giải phóng điện tử khỏi nguyên tử cần cung cấp cho nó một năng lượng tối thiểu bằng năng lượng liên kết Wlk. Khi điện tử được giải phóng khỏi nguyên tử, sẽ tạo thành hạt dẫn mới trong vật liệu. Hình 7.3: . ảnh hưởng của bản chất vật liệu đến hạt dẫn được giải phóng Hạt dẫn được giải phóng do chiếu sáng phụ thuộc vào bản chất của vật liệu bị chiếu sáng. Đối với các chất bán dẫn tinh khiết các hạt dẫn là cặp điện tử - lỗ trống. Đối với trường hợp bán dẫn pha tạp, hạt dẫn được giải phóng là điện tử nếu là pha tạp dono hoặc là lỗ trống nếu là pha tạp acxepto. Giả sử có một tấm bán dẫn phẳng thể tích V pha tạp loại N có nồng độ các donor Nd, có mức năng lượng nằm dưới vùng dẫn một khoảng bằng Wd đủ lớn để ở nhiệt độ phòng và khi ở trong tối nồng độ n0 của các donor bị ion hoá do nhiệt là nhỏ. 56/191
59. Hình 7.4: Tế bào quang dẫn và sự chuyển mức năng lượng của điện tử Khi ở trong tối, nồng độ điện tử được giải phóng trong một đơn vị thời gian tỉ lệ với nồng độ các tạp chất chưa bị ion hoá và bằng a(Nd -no), với hệ số a xác định theo công thức: (7.6) Trong đó q là trị tuyệt đối của điện tích điện tử, T là nhiệt độ tuyệt đối của khối vật liệu, k là hằng số. Số điện tử tái hợp với các nguyên tử đã bị ion hoá trong một đơn vị thời gian tỉ lệ với 2 các nguyên tử đã bị ion hoá n0 và nồng độ điện tử cũng chính bằng n0 và bằng r. n0 , trong đó r là hệ số tái hợp. Phương trình động học biểu diễn sự thay đổi nồng độ điện tử tự do trong khối vật liệu có dạng: ở trạng thái cân bằng ta có : Suy ra: (7.2) Độ dẫn trong tối được biểu diễn bởi hệ thức: (7.8) Trong đó μ là độ linh động của điện tử. 57/191
60. Khi nhiệt độ tăng, độ linh động của điện tử giảm, nhưng sự tăng mật độ điện tử tự do do sự kích thích nhiệt lớn hơn nhiều nên ảnh hưởng của nó là nhân tố quyết định đối với độ dẫn. Khi chiếu sáng, các photon sẽ ion hoá các nguyên tử donor, giải phóng ra các điện tử. Tuy nhiên không phải tất cả các photon đập tới bề mặt vật liệu đều giải phóng điện tử, một số bị phản xạ ngay ở bề mặt, một số bị hấp thụ và chuyển năng lượng cho điện tử dưới dạng nhiệt năng, chỉ phần còn lại mới tham gia vào giải phóng điện tử. Do vậy, số điện tử (g) được giải phóng do bị chiếu sáng trong một giây ứng với một đơn vị thể tích vật liệu, xác định bởi công thức: (7.9) Trong đó: G - số điện tử được giải phóng trong thể tích V trong thời gian một giây. V=A.L, với A, L là diện tích mặt cạnh và chiều rộng tấm bán dẫn (hình 7.4). η - hiệu suất lượng tử (số điện tử hoặc lỗ trống trung bình được giải phóng khi một photon bị hấp thụ). R - là hệ số phản xạ của bề mặt vật liệu. λ - bước sóng ánh sáng. Φ - thông lượng ánh sáng. h - hằng số Planck. Phương trình động học của tái hợp trong trường hợp này có dạng: Thông thường bức xạ chiếu tới đủ lớn để số điện tử được giải phóng lớn hơn rất nhiều so với điện tử được giải phóng do nhiệt: 58/191
61. Trong điều kiện trên, rút ra phương trình động học cho mật độ điện tử ở điều kiện cân bằng dưới tác dụng chiếu sáng: (7.10) Độ dẫn tương ứng với nồng độ điện tử ở điều kiện cân bằng: (7.11) Tế bào quang dẫn Vật liệu chế tạo Tế bào quang dẫn được chế tạo các bán dẫn đa tinh thể đồng nhất hoặc đơn tinh thể, bán dẫn riêng hoặc bán dẫn pha tạp. - Đa tinh thể: CdS, CdSe, CdTe. PbS, PbSe, PbTe. - Đơn tinh thể: Ge, Si tinh khiết hoặc pha tạp Au, Cu, Sb, In. SbIn, AsIn, PIn, cdHgTe. Vùng phổ làm việc của các vật liệu này biểu diễn trên hình 7.5. 59/191
62. Hình 7.5: Vùng phổ làm việc của một số vật liệu quang dẫn Các đặc trưng - Điện trở : Giá trị điện trở tối RC0 của các quang điện trở phụ thuộc rất lớn vào hình dạng hình học, kích thước, nhiệt độ và bản chất hoá lý của vật liệu chế tạo. Các chất PbS, CdS, CdSe có điện trở tối rất lớn (từ 104 ? - 109 ? ở 25oC), trong khi đó SbIn, SbAs, CdHgTe có điện trở tối tương đối nhỏ ( từ 10? - 103? ở 25oC). Điện trở Rc của cảm biến giảm rất nhanh khi độ rọi tăng lên. Trên hình 2.6 là một ví dụ về sự thay đổi của điện trở cảm biến theo độ rọi sáng. Hình 7.6: Sự phụ thuộc của điện trở vào độ rọi sáng Tế bào quang dẫn có thể coi như một mạch tương đương gồm hai điện trở Rc0 và Rcp mắc song song: (7.12) Trong đó: Rco - điện trở trong tối. -y Rcp - điện trở khi chiếu sáng: Rcp=aΦ a - hệ số phụ thuộc vào bản chất vật liệu, nhiệt độ, phổ bức xạ. γ - hệ số có giá trị từ 0,5 - 1. 60/191
63. Thông thường Rcp <<Rc0, nên có thể coi Rc=Rcp. Công thức (7.12) cho thấy sự phụ thuộc của điện trở của tế bào quang dẫn vào thông lượng ánh sáng là không tuyến tính, tuy nhiên có thể tuyến tính hóa bằng cách sử dụng một điện trở mắc song song với tế bào quang dẫn. Mặt khác, độ nhạy nhiệt của tế bào quang dẫn phụ thuộc vào nhiệt độ, khi độ rọi càng lớn độ nhạy nhiệt càng nhỏ. - Độ nhạy: Theo sơ đồ tương đương của tế bào quang dẫn, độ dẫn điện của tế bào quang dẫn là tổng độ dẫn trong tối và độ dẫn khi chiếu sáng: (7.13) Trong đó: - Gco là độ dẫn trong tối: Gco = 1/Rco. γ - Gcp là điện trở khi chiếu sáng: Gco = 1/Rcp = Φ /a. Khi đặt điện áp V vào tế bào quang dẫn, dòng điện qua mạch: (7.14) Trong điều kiện sử dụng thông thường I0<<IP, do đó dòng quang điện của tế bào quang dẫn xác định bởi biểu thức: (7.15) Đối với luồng bức xạ có phổ xác định, tỉ lệ chuyển đổi tĩnh: (7.16) Và độ nhạy: 61/191
64. (7.17) Từ hai biểu thức (7.16) và (7.17) có thể thấy: - Tế bào quang dẫn là một cảm biến không tuyến tính, độ nhạy giảm khi bức xạ tăng (trừ khi γ =1). - Khi điện áp đặt vào đủ nhỏ, độ nhạy tỷ lệ thuận với điện áp đặt vào tế bào quang dẫn. Khi điện áp đặt vào lớn, hiệu ứng Joule làm tăng nhiệt độ, dẫn đến độ nhạy giảm (hình 7.7). Trường hợp bức xạ ánh sáng là đơn sắc, Ip phụ thuộc vào ?, độ nhạy phổ của tế bào quang dẫn xác định nhờ đường cong biểu diễn sự phụ thuộc của hồi đáp vào bước sóng (hình 7.8a) Hình 7.7: ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ nhạy của tế bào quang dẫn Hình 7.8: Độ nhạy của tế bào quang dẫn 62/191
65. a) Đường cong phổ hồi đáp b) Sự thay đổi của độ nhạy theo nhiệt độ (7.18) Độ nhạy phổ của tế bào quang dẫn là hàm phụ thuộc nhiệt độ nguồn sáng, khi nhiệt độ tăng độ nhạy phổ tăng. Khi bức xạ không phải là đơn sắc, dòng Ip và do đó độ nhạy toàn phần phụ thuộc phổ bức xạ (hình 7.8b). Đặc điểm và ứng dụng Đặc điển chung của các tế bào quang dẫn: - Tỷ lệ chuyển đổi tĩnh cao. - Độ nhạy cao. - Hồi đáp phụ thuộc không tuyến tính vào thông lượng. - Thời gian hồi đáp lớn. - Các đặc trưng không ổn định do già hoá. - Độ nhạy phụ thuộc nhiệt độ. - Một số loại đòi hỏi làm nguội. Trong thực tế, tế bào quang dẫn được dùng trong hai trường hợp: - Điều khiển rơ le: khi có bức xạ ánh sáng chiếu lên tế bào quang dẫn, điện trở của nó giảm đáng kể, cho dòng điện chạy qua đủ lớn, được sử dụng trực tiếp hoặc qua khuếch đại để đóng mở rơle (hình 7.9). - Thu tín hiệu quang: dùng tế bào quang dẫn để thu và biến tín hiệu quang thành xung điện. Các xung ánh sáng ngắt quảng được thể hiện qua xung điện, trên cơ sở đó có thể lập các mạch đếm vật hoặc đo tốc độ quay của đĩa. 63/191
66. Hình 7.9: Dùng tế bào quang dẫn điều khiển rơle a) Điều khiển trực tiếp b) Điều khiển thông qua tranzito khuếch đại 64/191
67. Bài 8: CÁC LOẠI CẢM BIẾN QUANG Photodiode Cấu tạo và nguyên lý hoạt động Xét hai tấm bán dẫn, một thuộc loại N và một thuộc loại P, ghép tiếp xúc nhau. Tại mặt tiếp xúc hình thành một vùng nghèo hạt dẫn vì tại vùng này tồn tại một điện trường và hình thành hàng rào thế Vb. Khi không có điện thế ở ngoài đặt lên chuyển tiếp (V=0), dòmg điện chạy qua chuyển tiếp i = 0, thực tế dòng I chính là dòng tổng cộng của hai dòng điện bằng nhau và ngược chiều: - Dòng khuếch tán các hạt cơ bản sinh ra khi ion hoá các tạp chất (lỗ trong trong bán dẫn loại P, điện tử trong bán dẫn loại N) do năng lượng nhiệt của các hạt dẫn cơ bản đủ lớn để vượt qua hàng rào thế. - Dòng hạt dẫn không cơ bản sinh ra do kích thích nhiệt (điện tử trong bán dẫn P, lỗ trống trong bán dẫn N) chuyển động dưới tác dụng của điện trường E trong vùng nghèo. Hình 8.1: Sơ đồ chuyển tiếp P - N và hiệu ứng quang điện trong vùng nghèo Khi có điện áp đặt lên điôt, hàng rào thế thay đổi kéo theo sự thay đổi dòng hạt cơ bản và bề rộng vùng nghèo. Dòng điện qua chuyển tiếp: 65/191
68. Khi điện áp ngược đủ lớn: , chiều cao hàng rào thế lớn đến mức dòng khuếch tán của các hạt cơ bản trở nên rất nhỏ và có thể bỏ qua và chỉ còn lại dòng ngược của điôt, khi đó i = I0. Khi chiếu sáng điôt bằng bức xạ có bước sóng nhỏ hơn bước sóng ngưỡng, sẽ xuất hiện thêm các cặp điện tử - lỗ trống. Để các hạt dẫn này tham gia dẫn điện cần phải ngăn cản sự tái hợp của chúng, tức là nhanh chóng tách rời cặp điện tử - lỗ trống. Sự tách cặp điện tử - lỗ trống chỉ xẩy ra trong vùng nghèo nhờ tác dụng của điện trường. Số hạt dẫn được giải phóng phụ thuộc vào thông lượng ánh sáng đạt tới vùng nghèo và khả năng hấp thụ của vùng này. Thông lượng ánh sáng chiếu tới vùng nghèo phụ thuộc đáng kể vào chiều dày lớp vật liệu mà nó đi qua: Trong đó hệ số α≈105cm-1. Để tăng thông lượng ánh sáng đến vùng nghèo người ta chế tạo điôt với phiến bán dẫn chiều dày rất bé. Khả năng hấp thụ bức xạ phụ thuộc rất lớn vào bề rộng vùng nghèo. Để tăng khả năng mở rộng vùng nghèo người ta dùng điôt PIN, lớp bán dẫn riêng I kẹp giữa hai lớp bán dẫn P và N, với loại điôt này chỉ cần điện áp ngược vài vôn có thể mở rộng vùng nghèo ra toàn bộ lớp bán dẫn I. Hình 8.2: Cấu tạo điôt loại PIN Chế độ hoạt động - Chế độ quang dẫn: 66/191
69. Sơ đồ nguyên lý (hình 8.3a) gồm một nguồn Es phân cực ngược điôt và một điện trở Rm để đo tín hiệu. Hình 8.3: Sơ đồ nguyên lý và chế độ làm việc Dòng ngược qua điôt: (8.1) Trong đó IP là dòng quang điện: (8.2) Khi điện áp ngược Vd đủ lớn, thành phần ta có: Thông thường Phương trình mạch điện: 67/191
70. Trong đó VR=RmIr cho phép vẽ đường thẳng tải Δ (hình 8.3b). Dòng điện chạy trong mạch: Điểm làm việc của điôt là điểm giao nhau giữa đượng thẳng tải Δ và đường đặc tuyến I-V với thông lượng tương ứng. Chế độ làm việc này là tuyến tính, VR tỉ lệ với thông lượng. - Chế độ quang thế: Trong chế độ này không có điện áp ngoài đặt vào điôt. Điôt làm việc như một bộ chuyển đổi năng lượng tương đương với một máy phát và người ta đo thế hở mạch V0C hoặc đo dòng ngắn mạch ISC. Đo thế hở mạch: Khi chiếu sáng, dòng IP tăng làm cho hàng rào thế giảm một lượng ?Vb. Sự giảm chiều cao hàng rào thế làm cho dòng hạt dẫn cơ bản tăng lên, khi đạt cân bằng Ir = 0. Độ giảm chiều cao ΔVb của hàng rào thế có thể xác định được thông qua đo điện áp giữa hai đầu điôt khi hở mạch. Khi chiếu sáng yếu IP <<I0: 68/191
71. Trong trường hợp này VOC (kT/q=26mV ở 300K) nhỏ nhưng phụ thuộc tuyến tính vào thông lượng. Khi chiếu sáng mạnh, Ip >>I0 và ta có: Trong trường hợp này VOC có giá trị tương đối lớn (cỡ 0,1 - 0,6 V) nhưng phụ thuộc vào thông lượng theo hàm logarit. Hình 8.4: Sự phụ thuộc của thế hở mạch vào thông lượng Đo dòng ngắn mạch: Khi nối ngắn mạch hai đầu điôt bằng một điện trở nhỏ hơn r nào đó, dòng đoản mạch I chính bằng I và tỉ lệ với thông lượng (hình 8.5): Hình 8.5: Sự phụ thuộc của dòng ngắn 69/191
72. mạch vào thông lượng ánh sáng Đặc điểm quan trọng của chế độ này là không có dòng tối, nhờ vậy có thể giảm nhiễu và cho phép đo được thông lượng nhỏ. Độ nhạy Đối với bức xạ có phổ xác định, dòng quang điện IP tỉ lệ tuyến tính với thông lượng trong một khoảng tương đối rộng, cỡ 5 - 6 decad. Độ nhạy phổ xác định theo công thức: Với λ = λs. Độ nhạy phổ phụ thuộc vào λ, hiệu suất lượng tử λ, hệ số phản xạ R và hệ số hấp thụ α. Hình 8.6: Phổ độ nhạy của photodiode Người sử dụng cần phải biết độ nhạy phổ dựa trên đường cong phổ hồi đáp S(λ)/S(λP) và giá trị của bước sóng λP ứng với độ nhạy cực đại. Thông thường S(λP) nằm trong khoảng 0,1 - 1,0 A/W. 70/191
73. Hình 8.9: Sự phụ thuộc của độ nhạy vào nhiệt độ Khi nhiệt độ tăng, cực đại λP của đường cong phổ dịch chuyển về phía bước sóng dài. Hệ số nhiệt của dòng quang dẫn có giá trị khoảng 0,1%/oC. Sơ đồ ứng dụng photodiode - Sơ đồ làm việc ở chế độ quang dẫn: Đặc trưng của chế độ quang dẫn: +Độ tuyến tính cao. + Thời gian hồi đáp ngắn. + Dải thông lớn. Hình 8.9 trình bày sơ đồ đo dòng ngược trong chế độ quang dẫn. Sơ đồ cơ sở (hình 8.10a): 71/191
74. Hình 8.10: Sơ đồ mạch đo dòng ngược trong chế độ quang dẫn Khi tăng điện trở Rm sẽ làm giảm nhiễu. Tổng trở vào của mạch khuếch đại phải lớn để tránh làm giảm điện trở tải hiệu dụng của điôt. Sơ đồ tác động nhanh (hình 8.10b): điện trở của điot nhỏ và bằng trong đó K là hệ số khuếch đại ở tần số làm việc. Tụ C2 có tác dụng bù trừ ảnh hưởng của tụ kí sinh Cpl với điều kiện . Bộ khuếch đại ở đây phải có dòng vào rất nhỏ và sự suy giảm do nhiệt cũng phải không đáng kể. - Sơ đồ làm việc ở chế độ quang thế: Đặc trưng của chế độ quang thế: + Có thể làm việc ở chế độ tuyến tính hoặc logarit tuỳ thuộc vào tải. + Ít nhiễu. + Thời gian hồi đáp lớn. + Dải thông nhỏ. + Nhạy cảm với nhiệt độ ở chế độ logarit. 72/191
75. Sơ đồ tuyến tính (hình 8.11a): đo dòng ngắn mạch Isc. Trong chế độ này: Sơ đồ logarit (hình 8.11b): đo điện áp hở mạch Voc. Hình 8.11: Sơ đồ mạch đo ở chế độ quang áp 73/191
76. Phototransisto Cấu tạo và nguyên lý hoạt động Phototranzito là các tranzito mà vùng bazơ có thể được chiếu sáng, không có điện áp đặt lên bazơ, chỉ có điện áp trên C, đồng thời chuyển tiếp B-C phân cực ngược. Hình 8.12: Phototranzito a) Sơ đồ mạch điện b) Sơ đồ tương đương c) Tách cặp điện tử lỗ trống khi chiếu sáng bazơ Điện áp đặt vào tập trung hầu như toàn bộ trên chuyển tiếp B-C (phân cực ngược) trong khi đó chênh lệch điện áp giữa E và B thay đổi không đáng kể (VBE ≈ 0,6-0,7V). Khi chuyển tiếp B-C được chiếu sáng, nó hoạt động giống như photođiot ở chế độ quang thế với dòng ngược: Trong đó I0 là dòng ngược trong tối, IP là dòng quang điện dưới tác dụng của thông lượng F0 chiếu qua bề dày X của bazơ (bước sóng λ < λS): Dòng Ir đóng vai trò dòng bazơ, nó gây nên dòng colectơ Ic: β - hệ số khuếch đại dòng của tranzito khi đấu chung emitơ. 74/191
77. Có thể coi phototranzito như tổ hợp của một photodiot và một tranzito (hình 8.12b). Phodiode cung cấp dòng quang điện tại bazơ, còn tranzito cho hiệu ứng khếch đại β. Các điện tử và lỗ trống phát sinh trong vùng bazơ (dưới tác dụng của ánh sáng) sẽ bị phân chia dưới tác dụng của điện trường trên chuyển tiếp B - C. Trong trường hợp tranzito NPN, các điện tử bị kéo về phía colectơ trong khi lỗ trống bị giữ lại trong vùng bazơ (hình 8.12c) tạo thành dòng điện tử từ E qua B đến C. Hiện tượng xẩy ra tương tự như vậy nếu như lỗ trống phun vào bazơ từ một nguồn bên ngoài: điện thế bazơ tăng lên làm giảm hàng rào thế giữa E và B, điều này gây nên dòng điện tử IE chạy từ E đến B và khuếch tán tiếp từ B về phía C. Độ nhạy Khi nhận được thông lượng F0, điot bazơ-colectơ sinh ra dòng quang điện Ip, dòng này gây nên trong phototranzito một dòng , trong đó giá trị của Icp được rút ra từ công thức của Ip: Đối với một thông lượng F0 cho trước, đường cong phổ hồi đáp xác định bởi bản chất của điot B-C: vật liệu chế tạo (thường là Si) và loại pha tạp (hình 8.13). Đối với một bước sóng cho trước, dòng colectơ I không phải là hàm tuyến tính của thông lượng hoặc độ chiếu sáng bởi vì hệ số khuếch đại ò phụ thuộc vào dòng Ic (tức là cũng phụ thuộc thông lượng), nghĩa là phụ thuộc vào Φ0. 75/191
78. Hình 8.13: Đường cong phổ hồi đáp của photodiot Độ nhạy phổ S(λp) ở bước sóng tương ứng với điểm cực đại có giá trị nằm trong khoảng 1 - 100A/W. Sơ đồ dùng phototranzito Phototranzito có thể dùng làm bộ chuyển mạch, hoặc làm phần tử tuyến tính. Ở chế độ chuyển mạch nó có ưu điểm so với photodiot là cho phép sử dụng một cách trực tiếp dòng chạy qua tương đối lớn. Ngược lại, ở chế độ tuyến tính, mặc dù cho độ khuếch đại nhưng người ta thích dùng photođiot vì nó có độ tuyến tính tốt hơn. - Phototranzito chuyển mạch: Trong trường hợp này sử dụng thông tin dạng nhị phân: có hay không có bức xạ, hoặc ánh sáng nhỏ hơn hay lớn hơn ngưỡng. Tranzito chặn hoặc bảo hoà cho phép điều khiển trực tiếp (hoặc sau khi khuếch đại) như một rơle, điều khiển một cổng logic hoặc một thyristo (hình 8.14). Hình 8.14: Photodiotzito trong chế độ chuyển mạch a) Rơle b) Rơle sau khếch đại c) Cổng logic d) Thyristo - Phototranzito trong chế độ tuyến tính: Có hai cách sử dụng trong chế độ tuyến tính. - Trường hợp thứ nhất: đo ánh sáng không đổi (giống như một luxmet). - Trường hợp thứ hai: thu nhận tín hiệu thay đổi dạng: 76/191
79. Trong đó F1(t) là thành phần thay đổi với biên độ nhỏ để sao cho không dẫn tới phototranzito bị chặn hoặc bảo hoà và có thể coi độ nhạy không đổi. Trong điều kiện đó, dòng colectơ có dạng: Hình 8.15: Sơ đồ nguyên lý luxmet 77/191
80. Phototransisto hiệu ứng trường Phototranzito hiệu ứng trường (photoFET) có sơ đồ tương đương như hình 8.16. Hình 8.16: Phototranzito hiệu ứng trường a) Sơ đồ cấu tạo b) Sơ đồ mạch Trong phototranzito hiệu ứng trường, ánh sáng được sử dụng để làm thay đổi điện trở kênh. Việc điều khiển dòng máng ID được thực hiện thông qua sự thay đổi điện áp VGS giữa cổng và nguồn. Trong chế độ phân cực ngược chuyển tiếp P-N giữa cổng và kênh, điện áp này sẽ xác định độ rộng của kênh và do đó dòng máng có dạng: Với IDS - dòng máng khi VGS = 0. VP - điện áp thắt kênh. Khi bị chiếu sáng, chuyển tiếp P-N hoạt động như một photodiot cho dòng ngược: IP = SgΦ - dòng quang điện. I0 - dòng điện trong tối. Sg - độ nhạy của điot cổng - kênh. Φ - thông lượng ánh sáng. 78/191
81. Dòng Ir chạy qua điện trở Rg của mạch cổng xác định điện thế VGS và và dòng máng: Eg - thế phân cực của cổng. Phototranzito hiệu ứng trường được ứng dụng nhiều trong việc điều khiển điện áp bằng ánh sáng. 79/191
82. Một số kinh kiện khác Hiệu ứng quang điện phát xạ Hiệu ứng quang điện phát xạ hay còn được gọi là hiệu ứng quang điện ngoài là hiện tượng các điện tử được giải phóng khỏi bề mặt vật liệu tạo thành dòng khi chiếu vào chúng một bức xạ ánh sáng có bước sóng nhỏ hơn một ngưỡng nhất định và có thể thu lại nhờ tác dụng của điện trường. Cơ chế phát xạ điện tử khi chiếu sáng vật liệu xẩy ra theo ba giai đoạn: - Hấp thụ photon và giải phóng điện tử bên trong vật liệu. - Điện tử vừa được giải phóng di chuyển đến bề mặt. - Điện tử thoát khỏi bề mặt vật liệu. Khi một điện tử hấp thụ photon và được giải phóng, di chuyển của nó trong khối vật liệu mang tính ngẫu nhiên theo mọi hướng, do đó chỉ một lượng rất nhỏ hướng tới bề mặt. Mặt khác, trong quá trình di chuyển, các điện tử này có thể va chạm với các điện tử khác và mất đi một phần năng lượng do đó chỉ một lượng nhỏ điện tử được giải phóng tới được bề mặt. Mặt khác, sự phát xạ của các điện tử sau khi đã đến được bề mặt chỉ có thể xẩy ra khi động năng của nó đủ thắng được hàng rào thế phân cách vật liệu với môi trường. Tế bào quang điện chân không Tế bào quang điện chân không gồm một ống hình trụ có một cửa sổ trong suốt, được hút chân không (áp suất ~ 10-6 - 10-8 mmHg). Trong ống đặt một catot có khả năng phát xạ khi được chiếu sáng và một anot. Hình 8.17: Sơ đồ cấu tạo tế bào quang điện chân không 80/191
83. Sơ đồ tương đương và sự thay đổi của dòng anot Ia phụ thuộc vào điện thế anot - catot Vak biểu diễn trên hình 8.18. Hình 8.18: Sơ đồ tương đương và đặc trưng I - v của tế bào quang điện chân không Đặc trưng I - V có hai vùng rõ rệt: + Vùng điện tích không gian đặc trưng bởi sự tăng mạnh của dòng khi điện áp tăng. + Vùng bảo hoà đặc trưng bởi sự phụ thuộc không đáng kể của dòng vào điện áp. Tế bào quang điện được sử dụng chủ yếu trong vùng bảo hoà, khi đó nó giống như một nguồn dòng, giá trị của dòng chỉ phụ thuộc vào thông lượng ánh sáng mà nó nhận được. Điện trở trong ? của tế bào quang điện rất lớn và có thể xác định từ độ dốc của đặc tuyến ở vùng bão hoà: Độ nhạy phổ của tế bào quang điện được biểu diễn thông qua giá trị của dòng anot trong vùng bão hoà, thường vào cỡ 10 - 100 mA/W. Tế bào quang điện dạng khí Tế bào quang điện dạng khí có cấu tạo tương tự tế bào quang điện chân không, chỉ khác ở chỗ thể tích bên trong của đèn được điền đầy bằng khí, thường là khí acgon, dưới áp suất cỡ 10-1 - 10-2 mmHg. 81/191
84. Hình 8.19: Đặc trưng và độ nhạy của tế bào quang điện dạng khí Khi điện áp thấp hơn 20V, đặc tuyến I - V có dạng giống như tế bào quang điện chân không. Khi điện áp cao, điện tử chuyển động với tốc độ lớn làm ion hoá các nguyên tử khí, kết quả là dòng anot tăng lên từ 5 - 10 lần. 82/191
85. Bài 10: CẢM BIẾN ĐO VỊ TRÍ DỊCH CHUYỂN Nguyên lý đo vị trí và dịch chuyển Việc xác định vị trí và dịch chuyển đóng vai trò rất quan trọng trong kỹ thuật. Hiện nay có hai phương pháp cơ bản để xác định vị trí và dịch chuyển. Trong phương pháp thứ nhất, bộ cảm biến cung cấp tín hiệu là hàm phụ thuộc vào vị trí của một trong các phần tử của cảm biến, đồng thời phần tử này có liên quan đến vật cần xác định dịch chuyển. Trong phương pháp thứ hai, ứng với một dịch chuyển cơ bản, cảm biến phát ra một xung. Việc xác định vị trí và dịch chuyển được tiến hành bằng cách đếm số xung phát ra. Một số cảm biến không đòi hỏi liên kết cơ học giữa cảm biến và vật cần đo vị trí hoặc dịch chuyển. Mối liên hệ giữa vật dịch chuyển và cảm biến được thực hiện thông qua vai trò trung gian của điện trường, từ trường hoặc điện từ trường, ánh sáng. Trong chương này trình bày các loại cảm biến thông dụng dùng để xác định vị trí và dịch chuyển của vật như điện thế kế điện trở, cảm biến điện cảm, cảm biến điện dung, cảm biến quang, cảm biến dùng sóng đàn hồi. 83/191
86. Công tắc giới hạn Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động Bao gồm một hoặc nhiều cặp tiếp điểm được điều khiển đóng/mở dưới tác động cơ học. Các cặp tiếp điểm có thể ở trạng thái thường đóng hoặc thường mở. Dưới tác động của ngoại lực (tín hiệu kích thích), cặp tiếp điểm sẽ thay đổi trạng thái, nghĩa là nếu đang ở trạng thái thường đóng thì sẽ chuyển sang mở và ngược lại. Cảm biến này hay được dùng để xác định giới hạn hành trình hoặc vị trí của đối tượng. Xung nhiễu và cách xử lý Trong quá trình thay đổi trạng thái bởi tác động ngoại lực, các tiếp điểm có thể bị nảy khi đóng hoặc mở tạo ra sự đóng ngắt nhiều lần ngoài mong đợi. Sự đóng ngắt do nảy tiếp điểm có thể đẫn đến các chỉ báo sai về sự tác động dẫn đến điều khiển sai khi dựa vào các chỉ báo này. Do vậy, với loại công tắc giới hạn cơ học cần có xử lý chống hiện tượng nảy tiếp điểm. Xử lý có thể thực hiện trên mạch điện ghép nối cảm biến (mắc thêm tụ điện) hay trong chương trình xử lý tín hiệu cảm biến nếu được ghép nối với bộ xử lý. Hình dáng, cấu tạo một số loại thực tế Trên thực tế có nhiều loại công tắc giới hạn khác nhau. Sau đây là hình ảnh minh họa một số loại phổ biến: 84/191
87. 85/191
88. 86/191
89. Điện thế kế điện trở Loại cảm biến này có cấu tạo đơn giản, tín hiệu đo lớn và không đòi hỏi mạch điện đặc biệt để xử lý tín hiệu. Tuy nhiên với các điện thế kế điện trở có con chạy cơ học có sự cọ xát gây ồn và mòn, số lần sử dụng thấp và chịu ảnh hưởng lớn của môi trường khi có bụi và ẩm. Điện thế kế dùng con chạy cơ học Cấu tạo và nguyên lý làm việc Cảm biến gồm một điện trở cố định Rn, trên đó có một tiếp xúc điện có thể di chuyển được gọi là con chạy. Con chạy được liên kết cơ học với vật chuyển động cần khảo sát. Giá trị của điện trở Rx giữa con chạy và một đầu của điện trở Rn là hàm phụ thuộc vào vị trí con chạy, cũng chính là vị trí của vật chuyển động. - Đối với điện thế kế chuyển động thẳng (hình 10.1a): (10.1) - Trường hợp điện thế kế dịch chuyển tròn hoặc xoắn: (10.2) o o Trong đó αM 360 khi dịch chuyển xoắn. (hình 10.1c) 87/191
90. Hình 10.1: Các dạng điện thế kế 1) Điện trở 2) Con chạy Các điện trở được chế tạo có dạng cuộn dây hoặc băng dẫn. Các điện trở dạng cuộn dây thường được chế tạo từ các hợp kim Ni - Cr, Ni - Cu , Ni - Cr - Fe, Ag - Pd quấn thành vòng xoắn dạng lò xo trên lõi cách điện (bằng thuỷ tinh, gốm hoặc nhựa), giữa các vòng dây cách điện bằng emay hoặc lớp oxyt bề mặt. Các điện trở dạng băng dẫn được chế tạo bằng chất dẻo trộn bột dẫn điện là cacbon hoặc kim loại cỡ hạt ~10-2μm. Các điện trở được chế tạo với các giá trị Rn nằm trong khoảng 1k? đến 100k?, đôi khi đạt tới M?. Các con chạy phải đảm bảo tiếp xúc điện tốt, điện trở tiếp xúc phải nhỏ và ổn định. Các đặc trưng - Khoảng chạy có ích của con chạy: Thông thường ở đầu hoặc cuối đường chạy của con chạy tỉ số Rx/Rn không ổn định. Khoảng chạy có ích là khoảng thay đổi của x mà trong khoảng đó Rx là hàm tuyến tính của dịch chuyển. 88/191
91. Hình 10.2: Sự phụ thuộc của điện trở điện thế kế vào vị trí con chạy Hình 10.3: Độ phân giải của điện thế kế dạng dây - Năng suất phân giải: Đối với điện trở dây cuốn, độ phân giải xác định bởi lượng dịch chuyển cực đại cần thiết để đưa con chạy từ vị trí tiếp xúc hiện tại sang vị trí tiếp xúc lân cận tiếp theo. Giả sử cuộn dây có n vòng dây, có thể phân biệt 2n-2 vị trí khác nhau về điện của con chạy: + n vị trí tiếp xúc với một vòng dây. + n - 2 vị trí tiếp xúc với hai vòng dây. Độ phân giải của điện trở dạng dây phụ thuộc vào hình dạng và đường kính của dây điện trở và vào khoảng ~10μm. 89/191
92. Độ phân giải của các điện trở kiểu băng dẫn phụ thuộc vào kích thước hạt, thường vào cỡ ~ 0,1μm. - Thời gian sống: Thời gian sống của điện kế là số lần sử dụng của điện thế kế. Nguyên nhân gây ra hư hỏng và hạn chế thời gian sống của điện thế kế là sự mài mòn con chạy và dây điện trở trong quá trình làm việc. Thường thời gian sống của điện thế kế dạng dây dẫn vào cỡ 106 lần, điện kế dạng băng dẫn vào cỡ 5.107 - 108 lần. Điện thế kế không dùng con chạy cơ học Để khắc phục nhược điểm của điện thế kế dùng con chạy cơ học, người ta sử dụng điện thế kế liên kết quang hoặc từ. Điện thế kế dùng con trỏ quang Hình 10.4 trình bày sơ đồ nguyên lý của một điện thế kế dùng con trỏ quang. Điện thế kế tròn dùng con trỏ quang gồm điot phát quang (1), băng đo (2), băng tiếp xúc (3) và băng quang dẫn (4). Băng điện trở đo được phân cách với băng tiếp xúc bởi một băng quang dẫn rất mảnh làm bằng CdSe trên đó có con trỏ quang dịch chuyển khi trục của điện thế kế quay. Điện trở của vùng quang dẫn giảm đáng kể trong vùng được chiếu sáng tạo nên sự liên kết giữa băng đo và băng tiếp xúc. 90/191
93. Hình 10.4: Điện thế kế quay dùng con trỏ quang 1) Điot phát quang 2) Băng đo 3) Băng tiếp xúc 4) Băng quang dẫn Thời gian hồi đáp của vật liệu quang dẫn cỡ vài chục ms. Điện thế kế dùng con trỏ từ Hình 10.5 trình bày sơ đồ nguyên lý một điện thế kế từ gồm hai từ điện trở R1 và R2 mắc nối tiếp và một nam châm vĩnh cữu (gắn với trục quay của điện thế kế) bao phủ lên một phần của điện trở R1 và R2, vị trí phần bị bao phủ phụ thuộc góc quay của trục. Điện áp nguồn ES được đặt giữa hai điểm (1) và (3), điện áp đo Vm lấy từ điểm chung (2) và một trong hai đầu (1) hoặc (3). Khi đó điện áp đo được xác định bởi công thức: (10.3) Trong đó R1 là hàm phụ thuộc vị trí của trục quay, vị trí này xác định phần của R1 chịu ảnh hưởng của từ trường còn R = R1 + R2 = const. Hình 10.5: Điện thế kế điện từ Từ hình 10.5b ta nhận thấy điện áp đo chỉ tuyến tính trong một khoảng ~90o đối với điện kế quay. Đối với điện kế dịch chuyển thẳng khoảng tuyến tính chỉ cỡ vài mm. 91/191
94. Cảm biến điện cảm Cảm biến điện cảm là nhóm các cảm biến làm việc dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ. Vật cần đo vị trí hoặc dịch chuyển được gắn vào một phần tử của mạch từ gây nên sự biến thiên từ thông qua cuộn đo. Cảm biến điện cảm được chia ra: cảm biến tự cảm và hỗ cảm. Cảm biến tự cảm Cảm biến tự cảm có khe từ biến thiên - Cảm biến tự cảm đơn: trên hình 10.6 trình bày sơ đồ nguyên lý cấu tạo của một số loại cảm biến tự cảm đơn. Hình 10.6: Cảm biến tự cảm 1) Lõi sắt từ 2) Cuộn dây 3) Phần động Cảm biến tự cảm đơn gồm một cuộn dây quấn trên lõi thép cố định (phần tĩnh) và một lõi thép có thể di động dưới tác động của đại lượng đo (phần động), giữa phần tĩnh và phần động có khe hở không khí tạo nên một mạch từ hở. Sơ đồ hình 10.6a: dưới tác động của đại lượng đo XV, phần ứng của cảm biến di chuyển, khe hở không khí d trong mạch từ thay đổi, làm cho từ trở của mạch từ biến thiên, do đó hệ số tự cảm và tổng trở của cuộn dây thay đổi theo. Sơ đồ hình 10.6b: khi phần ứng quay, tiết diện khe hở không khí thay đổi, làm cho từ trở của mạch từ biến thiên, do đó hệ số tự cảm và tổng trở của cuộn dây thay đổi theo. Hệ số tự cảm của cuộn dây cũng có thể thay đổi do thay đổi tổn hao sinh ra bởi dòng điện xoáy khi tấm sắt từ dịch chuyển dưới tác động của đại lượng đo Xv (hình 10.6c). Nếu bỏ qua điện trở của cuộn dây và từ trở của lõi thép ta có: 92/191
95. Trong đó: W- số vòng dây. - từ trở của khe hở không khí. δ - chiều dài khe hở không khí. s - tiết diện thực của khe hở không khí. Trường hợp W = const ta có: Với lượng thay đổi hữu hạn Δd và Δs ta có: (10.4) Độ nhạy của cảm biến tự cảm khi khe hở không khí thay đổi (s=const): (10.5) Độ nhạy của cảm biến tự cảm khi thay đổi tiết diện không khí (d = const): (10.6) Tổng trở của cảm biến: 93/191
96. (10.7) Từ công thức (10.7) ta thấy tổng trở Z của cảm biến là hàm tuyến tính với tiết diện khe hở không khí s và phi tuyến với chiều dài khe hở không khí d. Hình 10.7: Sự phụ thuộc giữa L, Z với chiều dày khe hở không khí d Đặc tính của cảm biến tự cảm đơn Z = f(Δd) là hàm phi tuyến và phụ thuộc tần số nguồn kích thích, tần số nguồn kích thích càng cao thì độ nhạy của cảm biến càng cao (hình 10.7). - Cảm biến tự cảm kép lắp theo kiểu vi sai: Để tăng độ nhạy của cảm biến và tăng đoạn đặc tính tuyến tính người ta thường dùng cảm biến tự cảm kép mắc theo kiểu vi sai (hình 10.8). Hình 10.8: Cảm biến tự cảm kép mắc theo kiểu vi sai Đặc tính của cảm biến tự cảm kép vi sai có dạng như hình 10.9. 94/191
97. Hình 10.9: Đặc tính của cảm biến tự cảm kép lắp vi sai Cảm biến tự cảm có lõi từ di động Cảm biến gồm một cuộn dây bên trong có lõi từ di động được (hình 10.10). Hình 10.10: Sơ đồ nguyên lý cảm biến tự cảm có lõi từ 1) Cuộn dây 2) Lõi từ Dưới tác động của đại lượng đo XV, lõi từ dịch chuyển làm cho độ dài lf của lõi từ nằm trong cuộn dây thay đổi, kéo theo sự thay đổi hệ số tự cảm L của cuộn dây. Sự phụ thuộc của L vào lf là hàm không tuyến tính, tuy nhiên có thể cải thiện bằng cách ghép hai cuộn dây đồng dạng vào hai nhánh kề sát nhau của một cầu điện trở có chung một lõi sắt. Cảm biến hỗ cảm Cấu tạo của cảm biến hỗ cảm tương tự cảm biến tự cảm chỉ khác ở chỗ có thêm một cuộn dây đo (hình 10.11). Trong các cảm biến đơn khi chiều dài khe hở không khí (hình 10.11a) hoặc tiết diện khe không khí thay đổi (hình 10.11b) hoặc tổn hao do dòng điện xoáy thay đổi (hình 10.11c) 95/191
98. sẽ làm cho từ thông của mạch từ biến thiên kéo theo suất điện động e trong cuộn đo thay đổi. - Cảm biến đơn có khe hở không khí: Từ thông tức thời: i - giá trị dòng điện tức thời trong cuộn dây kích thích W1. Hình 10.11: Cảm biến hỗ cảm 1) Cuộn sơ cấp 2) Gông từ 3) lõi từ di động 4) Cuộn thứ cấp (cuộn đo) Sức điện động cảm ứng trong cuộn dây đo W2: W2 - số vòng dây của cuộn dây đo. Khi làm việc với dòng xoay chiều i=Imsinωt, ta có: 96/191
99. và giá trị hiệu dụng của suất điện động: I - giá trị hiệu dụng của dòng điện . Với các giá trị W2, W1, μ0, ω và I là hằng số, ta có: Hay (10.8) Độ nhạy của cảm biến với sự thay đổi của chiều dài khe hở không khí δ (s = const): (10.9) Còn độ nhạy khi tiết diện khe hở không khí s thay đổi (δ = const): (10.10) - sức điện động hỗ cảm ban đầu trong cuộn đo W2 khi XV = 0. 97/191
100. Ta nhận thấy công thức xác định độ nhạy của cảm biến hỗ cảm có dạng tương tự như cảm biến tự cảm chỉ khác nhau ở giá trị của E0 và L0. Độ nhạy của cảm biến hỗ cảm Sd và SS cũng tăng khi tần số nguồn cung cấp tăng. - Cảm biến vi sai: để tăng độ nhạy và độ tuyến tính của đặc tính cảm biến người ta mắc cảm biến theo sơ đồ vi sai (hình 10.11d,đ,e). Khi mắc vi sai độ nhạy của cảm biến tăng gấp đôi và phạm vi làm việc tuyến tính mở rộng đáng kể. - Biến thế vi sai có lõi từ: gồm bốn cuộn dây ghép đồng trục tạo thành hai cảm biến đơn đối xứng, bên trong có lõi từ di động được (hình 10.12). Các cuộn thứ cấp được nối ngược với nhau sao cho suất điện động trong chúng triệt tiêu lẫn nhau. Hình 10.12: Cảm biến hỗ cảm vi sai 1) Cuộn sơ cấp 2) Cuộn thứ cấp 3) Lõi từ Về nguyên tắc, khi lõi từ ở vị trí trung gian, điện áp đo Vm ở đầu ra hai cuộn thứ cấp bằng không. Khi lõi từ dịch chuyển, làm thay đổi mối quan hệ giữa cuộn sơ cấp với các cuộn thứ cấp, tức là làm thay đổi hệ số hỗ cảm giữa cuộn sơ cấp với cáccuộn thứ cấp. Khi điện trở của thiết bị đo đủ lớn, điện áp đo Vm gần như tuyến tính với hiệu số các hệ số hỗ cảm của hai cuộn thứ cấp. 98/191
101. Cảm biến điện dung Cảm biến tụ điện đơn Các cảm biến tụ điện đơn là một tụ điện phẳng hoặc hình trụ có một bản cực gắn cố định (bản cực tĩnh) và một bản cực di chuyển (bản cực động) liên kết với vật cần đo. Khi bản cực động di chuyển sẽ kéo theo sự thay đổi điện dung của tụ điện. - Đối với cảm biến hình 10.13a: dưới tác động của đại lượng đo XV, bản cực động di chuyển, khoảng các giữa các bản cực thay đổi, kéo theo điện dung tụ điện biến thiên. ε - hằng số điện môi của môi trường. ε0 - hằng số điện môi của chân không. s - diện tích nằm giữa hai điện cực. δ - khoảng cách giữa hai bản cực. Hình 10.13: Cảm biến tụ điện đơn - Đối với cảm biến hình 10.13b: dưới tác động của đại lượng đo XV, bản cực động di chuyển quay, diện tích giữa các bản cực thay đổi, kéo theo sự thay đổi của điện dung tụ điện. (10.11) 99/191
102. α - góc ứng với phần hai bản cực đối diện nhau. Đối với cảm biến hình 10.13c: dưới tác động của đại lượng đo XV, bản cực động di chuyển thẳng dọc trục, diện tích giữa các bản cực thay đổi, kéo theo sự thay đổi của điện dung. (10.12 Xét trường hợp tụ điện phẳng, ta có: Đưa về dạng sai phân ta có: (10.13) Khi khoảng cách giữa hai bản cực thay đổi ( e = const và s=const), độ nhạy của cảm biến: (10.14) Khi diện tích của bản cực thay đổi ( e = const và d = const), độ nhạy của cảm biến: (10.15) Khi hằng số điện môi thay đổi ( s = const và d = const), độ nhạy của cảm biến: 100/191
103. (10.16) Nếu xét đến dung kháng: Đưa về dạng sai phân: Tương tự trên ta có độ nhạy của cảm biến theo dung kháng: (10.17) (10.18) (10.19) Từ các biểu thức trên có thể rút ra: - Biến thiên điện dung của cảm biến tụ điện là hàm tuyến tính khi diện tích bản cực và hằng số điện môi thay đổi nhưng phi tuyến khi khoảng cách giữa hai bản cực thay đổi. - Biến thiên dung kháng của cảm biến tụ điện là hàm tuyến tính khi khoảng cách giữa hai bản cực thay đổi nhưng phi tuyến khi diện tích bản cực và hằng số điện môi thay đổi. Ngoài ra giữa hai bản cực khi có điện áp đặt vào sẽ phát sinh lực hút, lực này cần phải nhỏ hơn đại lượng đo. 101/191
104. Cảm biến tụ kép vi sai Hình 10.14: Cảm biến tụ kép vi sai Tụ kép vi sai có khoảng cách giữa các bản cực biến thiên dịch chuyển thẳng (hình 10.14a) hoặc có diện tích bản cực biến thiên dịch chuyển quay (hình 10.14b) và dịch chuyển thẳng (hình 10.14c) gồm ba bản cực. Bản cực động A1 dịch chuyển giữa hai bản cực cố định A2 và A3 tạo thành cùng với hai bản cực này hai tụ điện có điện dung C21 và C31 biến thiên ngược chiều nhau. Độ nhạy và độ tuyến tính của tụ kép vi sai cao hơn tụ đơn và lực tương hỗ giữa các bản cực triệt tiêu lẫn nhau do ngược chiều nhau. Mạch đo Thông thường mạch đo dùng với cảm biến điện dung là các mạch cầu không cân bằng cung cấp bằng dòng xoay chiều. Mạch đo cần thoả mãn các yêu cầu sau: - Tổng trở đầu vào tức là tổng trở của đường chéo cầu phải thật lớn. - Các dây dẫn phải được bọc kim loại để tránh ảnh hưởng của điện trường ngoài. - Không được mắc các điện trở song song với cảm biến. - Chống ẩm tốt. Hình 10.15a là sơ đồ mạch cầu dùng cho cảm biến tụ kép vi sai với hai điện trở. Cung cấp cho mạch cầu là một máy phát tần số cao. Hình 10.15b là sơ đồ mạch mặch cầu biến áp với hai nhánh tụ điện. 102/191
105. Hình 10.15: Mạch đo thường dùng với cảm biến tụ điện 103/191
106. Bài 12: CÁC LOẠI CẢM BIẾN ĐO VỊ TRÍ Cảm biến quang Các cảm biến đo vị trí và dịch chuyển theo phương pháp quang học gồm nguồn phát ánh sáng kết hợp với một đầu thu quang (thường là tế bào quang điện). Tuỳ theo cách bố trí đầu thu quang, nguồn phát và thước đo (hoặc đối tượng đo), các cảm biến được chia ra: - Cảm biến quang phản xạ. - Cảm biến quang soi thấu. Cảm biến quang phản xạ Cảm biến quang phản xạ (hình 12.1) hoạt động theo nguyên tắc dọi phản quang: đầu thu quang đặt cùng phía với nguồn phát. Tia sáng từ nguồn phát qua thấu kính hội tụ đập tới một thước đo chuyển động cùng vật khảo sát, trên thước có những vạch chia phản quang và không phản quang kế tiếp nhau, khi tia sáng gặp phải vạch chia phản quang sẽ bị phản xạ trở lại đầu thu quang. Hình 12.1: Cảm biến quang phản xạ 1) Nguồn phát 2) Thước đo 3) Đầu thu quang Cảm biến loại dọi phản quang, không cần dây nối qua vùng cảm nhận nhưng cự ly cảm nhận thấp và chịu ảnh hưởng của ánh sáng từ nguồn sáng khác. Cảm biến quang soi thấu Sơ đồ cấu trúc của một cảm biến đo vị trí và dịch chuyển theo nguyên tắc soi thấu trình bày trên hình 12.2a. Cảm biến gồm một nguồn phát ánh sáng, một thấu kính hội tụ, một lưới chia kích quang và các phần tử thu quang (thường là tế bào quang điện). 104/191
107. Hình 12.2: a) Sơ đồ cấu tạo cảm biến quang soi thấu b) Tín hiệu ra 1) Nguồn sáng 2) Thấu kính hội tụ 3) Thước đo 4) Lưới chia 5) Tế bào quang điện 6) Mã chuẩn Khi thước đo (gắn với đối tượng khảo sát, chạy giữa thấu kính hội tụ và lưới chia) có chuyển động tương đối so với nguồn sáng sẽ làm xuất hiện một tín hiệu ánh sáng hình sin. Tín hiệu này được thu bởi các tế bào quang điện đặt sau lưới chia. Các tín hiệu đầu ra của cảm biến được khuếch đại trong một bộ tạo xung điện tử tạo thành tín hiệu xung dạng chữ nhật. Các tế bào quang điện bố trí thành hai dãy và đặt lệch nhau một phần tư độ chia nên ta nhận được hai tín hiệu lệch pha 90o (hình 12.2b), nhờ đó không những xác định được độ dịch chuyển mà còn có thể nhận biết được cả chiều chuyển động. Để khôi phục điểm gốc trong trường hợp mất điện nguồn người ta trang bị thêm mốc đo chuẩn trên thước đo. Ưu điểm của các cảm biến soi thấu là cự ly cảm nhận xa, có khả năng thu được tín hiệu mạnh và tỉ số độ tương phản sáng tối lớn, tuy nhiên có hạn chế là khó bố trí và chỉnh thẳng hàng nguồn phát và đầu thu. 105/191
108. Cảm biến đo dịch chuyển bằng sóng đàn hồi Nguyên lý đo dịch chuyển bằng sóng đàn hồi Tốc độ truyền sóng đàn hồi v trong chất rắn ~ 103m/s. Thời gian truyền sóng giữa hai điểm trong vật rắn cách nhau một khoảng l xác định bởi biểu thức: Biết tốc độ truyền sóng v và đo thời gian truyền sóng tP ta có thể xác định được khoảng cách l cần đo: Sơ đồ khối của một thiết bị đo dịch chuyển bằng sóng đàn hồi biểu diễn trên hình 12.3. Thời gian truyền sóng tP từ khi tín hiệu xuất hiện ở máy phát đến khi nó được tiếp nhận ở máy thu được đo bằng máy đếm xung. Máy đếm hoạt động khi bắt đầu phát sóng và đóng lại khi tín hiệu đến được máy thu. Hình 12.3: Sơ đồ khối của một thiết bị đo dịch chuyển bằng sóng đàn hồi Gọi số xung đếm được là N và chu kỳ của xung đếm là t , ta có: Khi đó: (12.1) 106/191
109. Cảm biến sử dụng phần tử áp điện Trong các cảm biến áp điện, sóng đàn hồi được phát và thu nhờ sử dụng hiệu ứng áp điện. Hiệu ứng áp điện là hiện tượng khi một tấm vật liệu áp điện (thí dụ thạch anh) bị biến dạng dưới tác dụng của một lực cơ học có chiều nhất định, trên các mặt đối diện của tấm xuất hiện một lượng điện tích bằng nhau nhưng trái dấu, ngược lại dưới tác động của điện trường có chiều thích hợp, tấm vật liệu áp điện bị biến dạng. Để đo dịch chuyển ta có thể sử dụng hai dạng sóng đàn hồi: - Sóng khối: dọc và ngang. - Sóng bề mặt. Sóng khối dọc truyền cho các phần tử của vật rắn dịch chuyển dọc theo phương truyền sóng tạo nên sự nén rồi lại giãn nở của các lớp của vật rắn. Sóng này được kích thích bằng phần tử áp điện rung theo bề dày (hình 12.4a). Sóng khối ngang gây nên dịch chuyển vuông góc với phương truyền sóng, tạo ra chuyển động trượt tương đối giữa các lớp của vật rắn. Sóng này được kích thích bằng một phần tử áp điện rung theo mặt cắt (hình 12.4b). Hình 12.4: Các dạng sóng đàn hồi a) Sóng dọc b) Sóng ngang c) Sóng bề mặt và dạng điện cực kích thích Sóng bề mặt truyền trong lớp bề mặt của vật rắn, biên độ của chúng hầu như bằng không ở độ sâu 2λ dưới bề mặt. Sóng bề mặt gồm một thành phần sóng dọc và một thành phần sóng ngang. Nguồn kích thích sóng bề mặt là một hệ điện cực kiểu răng lược cài nhau 107/191
110. phủ lên bề mặt vật liệu áp điện (hình 12.4c). Khoảng cách giữa hai răng kề nhau của các điện cực phải bằng λ để có thể gây ra biến dạng khi có điện áp V cùng pha đặt vào và để tăng hiệu ứng của chúng. Máy thu sóng bề mặt cũng có cấu tạo tương tự như máy phát được gắn cố định vào bề mặt vật rắn, khi có sóng bề mặt đi qua, các răng của điện cực làm biến dạng bề mặt vật rắn và gây nên điện áp do hiệu ứng áp điện. Cảm biến âm từ Sóng đàn hồi phát ra nhờ sử dụng hiệu ứng Wiedemam: hiện tượng xoắn một ống trụ sắt từ khi nó chịu tác dụng đồng thời của một từ trường dọc và một từ trường ngang. Sóng đàn hồi được thu trên cơ sở sử dụng hiệu ứng Vilari: sức căng cơ học làm thay đổi khả năng từ hoá và độ từ thẩm của vật liệu sắt từ. Sơ đồ nguyên lý và cấu tạo của cảm biến âm từ trình bày trên hình 12.5. Cấu tạo của cảm biến gồm ống sắt từ (1), nam châm di động (2) trượt dọc ống gắn với vật cần xác định vị trí. Dây dẫn (3) nằm giữa trục ống và được nối với máy phát xung (4). Máy thu (5) có lõi từ nối cơ học với ống. Hình 12.5: Sơ đồ nguyên lý cảm biến âm từ 1) ống sắt từ 2) Nam châm 3) Dây dẫn 4) Máy phát xung 5) Đầu thu Nguyên lý hoạt động của cảm biến: Máy phát (4) cung cấp một xung điện truyền qua dây dẫn (3), xung này truyền với vận tốc ánh sáng (c), từ trường do nó sinh ra có đường sức là đường tròn đồng tâm với trục ống. Khi sóng điện từ truyền đến vị trí nam châm (2), sự kết hợp của hai từ trường làm cho ống bị xoắn cục bộ, xoắn cục bộ này truyền đi trong ống dưới dạng sóng đàn hồi với vận tốc v. Khi sóng đàn hồi đến máy thu (5) nó làm thay đổi độ từ hoá gây nên tín hiệu hồi đáp. Gọi tP là thời gian từ khi phát xung hỏi đến khi nhận được xung hồi đáp, do v << c ta có: 108/191
111. Trong đó l là khoảng cách từ nam châm đến đầu thu, tP được đo bằng phương pháp đếm xung. 109/191
112. Bài 14: CẢM BIẾN ĐO BIẾN DẠNG Biến dạng và phương pháp đo Định nghĩa một số đại lượng cơ học - Biến dạng ε: là tỉ số giữa độ biến thiên kích thước (Δl) và kích thước ban đầu (l). (14.1) Biến dạng gọi là đàn hồi khi mà ứng lực mất đi thì biến dạng cũng mất theo. Biến dạng mà còn tồn tại ngay cả sau khi ứng lực mất đi được gọi là biến dạng dư. - Giới hạn đàn hồi: là ứng lực tối đa không gây nên biến dạng dẻo vượt quá 2%, tính bằng kG/mm2. Ví dụ giới hạn đàn hồi của thép ~20 - 80 kG/mm2. - Môđun Young (Y): xác định biến dạng theo phương của ứng lực. (14.2) F - lực tác dụng, kG. S - tiết diện chịu lực. mm2. σ - ứng lực, s =F/S. Đơn vị đo mođun Young là kG/mm2. Mođun Young của thép ~ 18.000 - 29.000 kG/ mm2. - Hệ số poison ν: hệ số xác định biến dạng theo phương vuông góc với lực tác dụng. (14.3) Trong vùng biến dạng đàn hồi ν ≈ 0,3. 110/191